Scanner les déchets par spectrométrie infrarouge : une spécialité d’Irstea

Mélanges de composés variés, les déchets forment des milieux très complexes. Á Irstea, les spécialistes de l’analyse des milieux complexes par spectrométrie infrarouge utilisent leur savoir-faire pour caractériser les déchets. Á la clé, plusieurs applications remarquables : tri des déchets et prédiction de leur pouvoir méthanogène, mais aussi pilotage sur mesure des procédés de méthanisation…

Longtemps considérés comme inutiles, nos déchets changent de statut et deviennent, à plusieurs titres, de nouvelles ressources. Dans ce contexte, bien identifier leur nature et leur composition s’avère désormais une précieuse information. Á Irstea, des scientifiques spécialisés dans le développement de capteurs optiques pour analyser des milieux complexes explorent depuis plusieurs années les atouts de la spectrométrie infrarouge (SPIR) pour étudier les déchets.
 
Couramment utilisée dans l’industrie pour analyser la composition de produits organiques, cette technique non destructive consiste à sonder la matière à l’aide d’un rayonnement infrarouge ; selon les types de molécules présentes, certaines parties du rayonnement (longueurs d’onde) sont absorbées. Le résultat est un spectre, une courbe, qui, selon les longueurs d’onde absorbées, permet d’identifier, voire de quantifier, les différents composants organiques de la matière, comme les lipides, les glucides, les protéines ou l’eau.
 

Capteurs infrarouges : une approche inédite pour trier et valoriser les déchets

Dans le cadre d’une collaboration avec Pellenc ST, société spécialisée dans le tri optique pour le traitement des déchets et le recyclage, les scientifiques ont développé des capteurs intégrant la spectrométrie infrarouge, capables de scanner et différencier les déchets (selon leur composition) de manière précise et ultra-rapide (1 cm2 de matière triée en moins de 10 microsecondes). Récompensés du 1er prix du FIEEC en 2016, ces travaux se sont avérés fructueux : l’entreprise a inclus les capteurs dans ses procédés depuis plusieurs années.
 
Outre trier les déchets en un temps record, la spectrométrie infrarouge permet aussi de mieux les valoriser, par la mesure de leur potentiel méthanogène. Une méthode a en effet été mise au point à Irstea, en collaboration avec l’INRA et l’Ecole des Mines d’Alès, pour prédire la quantité de méthane que pourra produire un biodéchet lors de sa méthanisation. « Des tests existent déjà pour prédire le potentiel méthanogène (test BMP1), mais celui que nous avons développé présente un atout de taille : il livre un résultat en deux heures environ au lieu de 30 jours, avec la même précision. Un gain de temps considérable et donc une meilleure rentabilité pour les installations industrielles de méthanisation… », explique Jean-Michel Roger, spécialiste de la SPIR et chercheur au sein de l’unité ITAP d’Irstea. Transféré à la société Ondalys, le test baptisé Flash BMP® est désormais commercialisé auprès d’industriels.
 

Une clé pour optimiser les rendements de la méthanisation ?

Primés à plusieurs reprises pour leurs travaux, les spécialistes de la SPIR d’Irstea se sont associés aux experts de la méthanisation pour relever un nouveau défi : utiliser la méthode pour suivre le fonctionnement d’une unité de méthanisation et pouvoir, in fine, en optimiser le pilotage et les rendements. « Contrairement à l’Allemagne qui a opté pour un modèle de méthanisation qui utilise des cultures dédiées dites énergétiques, la France a choisi de fonder sa filière sur l’utilisation de ses déchets. Conséquence : la grande hétérogénéité des substrats méthanisés – qu’elle soit spatiale ou temporelle - induit une grande hétérogénéité de fonctionnement des digesteurs », explique Fabrice Béline, chercheur de l’unité OPAALE d’Irstea. D’où un besoin croissant d’outils de suivi et de contrôle adaptés à ce contexte spécifique de la filière française. 
 
Dans le cadre du projet Comet2 (2016-2018), financé par l’Ademe, les scientifiques développent de nouveaux capteurs infrarouges destinés à identifier précocement les dysfonctionnements des réacteurs de méthanisation et leur cause, avant qu’ils n’induisent une baisse de production du biogaz. « Pour cela, nous avons installé les capteurs au cœur d’un digesteur reproduit en laboratoire et nous y provoquons des anomalies de fonctionnement, comme une surcharge en graisses par exemple. Á partir des spectres fournis par les capteurs, notre but est de relier un spectre donné – une signature spectrale – à un dysfonctionnement donné », explique Fabrice Béline, coordinateur du projet. Au final, les données obtenues devraient permettre d’élaborer des indicateurs de bons ou mauvais fonctionnements. Véritable outil d’aide au pilotage de la méthanisation, la méthode pourrait révolutionner la gestion de la filière et booster son déploiement…
Exemple de spectres infrarouge
 
« Contrairement à la méthode actuelle qui repose sur l’analyse chimique d’échantillons prélevés dans le digesteur (titrimétrie), notre méthode permettra  de réaliser un suivi en temps réel et sans intervention humaine », précise le chercheur. Même si des verrous restent à lever, comme la difficulté de la mesure dans le milieu formé par les déchets méthanisés (humidité et forte opacité notamment), les premiers résultats sont encourageants : les tests en cours tendent à prouver la pertinence de la méthode et une bonne sensibilité des capteurs aux dysfonctionnements. Un projet à suivre de près…
 
1 Biochemical Methane Potential
2 Partenaires : Irstea, Ademe, S3D (bureau d’étude). Budget : 530 k€.