Etude, modélisation et pilotage d’un consortium microbien pour la production d’hydrogène vert – EPIC-H2

Le remplacement des énergies fossiles par des énergies renouvelables constitue probablement l’un des plus grands enjeux du XXIème siècle, et parmi les différentes nouvelles énergies ou vecteur énergétique, l’hydrogène est l’un des plus prometteurs. Les nouveaux concepts pour la production « d’H2 renouvelable » sont extrêmement prometteurs mais toujours assez loin d’une viabilité économique et nécessitent des recherches fondamentales afin de comprendre puis optimiser ces procédés. Dans l’objectif de développer un procédé de production efficace d’H2 il convient, afin de s’en inspirer, de mieux appréhender le vivant où l’H2 est un vecteur énergétique important. Produire et utiliser de l’H2 par voies biologiques peut être à l’origine de processus innovants à même de répondre aux intérêts sociétaux, environnementaux et scientifiques (décryptage de la production d’H2 via des approches multi-échelles et de modélisation). A ce jour, la plupart des travaux pour étudier et optimiser la production de H2 par voie biologique portent sur des cultures pures ou génétiquement modifiées, et utilisant des substrats simples. Plus récemment, l’intérêt de l’utilisation de cultures mixtes microbiennes a émergé au regard de leur robustesse, du large panel de substrats utilisables, de leur adaptabilité et flexibilité métaboliques pour produire de l’H2. Toutefois, les travaux sont très descriptifs et abordent essentiellement la problématique d’optimisation à l’échelle du réacteur et du rendement global. La compréhension et l’optimisation de la production de H2 par des consortia microbiens nécessitent la levée de verrous scientifiques notamment sur le fonctionnement fin des écosystèmes microbiens en interaction avec leurs environnements biotiques et abiotiques. A ce jour, très peu d’études intègrent la problématique du rôle et du contrôle du réseau d’interactions entre les bactéries et aucune n’est couplée avec une étude de faisabilité de l’utilisation du biogaz formé. Ce découplage est en partie la résultante d’une approche très disciplinaire
Le projet EPI- H2 a pour objectif de décrypter et modéliser le processus conduisant à la production d’H2 en y intégrant le fonctionnement des cellules prises individuellement et leurs interactions en culture mixte au cours d’un procédé, afin de valider le changement d’échelle en intégrant la faisabilité d’utilisation du biogaz produit. Il s’agit d’un projet de recherche fondamentale interdisciplinaire et innovant avec un continuum d’études allant du moléculaire intégré au métabolisme jusqu’à l’échelle du procédé afin de proposer une stratégie efficace de développement d’un procédé qui pourra à terme être valorisé pour la production de H2 renouvelable. Il nécessite donc de mettre à profit et de façon intégrée, plusieurs types d’expertises et de savoir-faire : microbiologie, métabolisme, chimie, modélisation, génie des procédés afin de lever les verrous scientifiques qui limitent le développement et l’utilisation de l’H2 bioproduit. Nos résultats doivent conduire à l’établissement de nouvelles règles de stratégie de pilotage d’un consortium microbien pour une production optimale d’H2.
Le projet a donc pour objectifs de (i) décrypter la communication bactérienne au sein du consortium modèle, (ii) d’estimer l’impact de celle-ci sur le métabolisme des bactéries composant le consortium, en particulier sur la production d’H2 par une approche de modélisation métabolique qui intègrera les données expérimentales issues des suivis cinétiques, métaboliques et transcriptomiques, (iii) d’évaluer l’impact de la montée en échelle sur la production de H2 par un procédé continu, et (iv) de valider l’alimentation d’une pile enzymatique à combustible avec l’H2 produit, non purifié. En intégrant l’ensemble des connaissances fondamentales, l’ambition est de proposer des paramètres pertinents pour contribuer au changement d’échelle du procédé, étape indispensable au développement d’applications à moyen/long terme.