Valorisation du CO2 par BIOMéthanation et INTENSification du transfert gaz-liquide – BIOMIntens

Dans le but de développer la méthanation biologique, une méthodologie transdisciplinaire originale est proposée, associant microbiologie, génie microbiologique, génie des procédés, écologie microbienne et analyse de cycles de vie à partir des compétences de trois partenaires publics, l’IP (UMR CNRS 6602), le LMGE (UMR CNRS 6023), le LBE (INRAE, UR50) et d’un partenaire privé (Bio-Valo). Elle s’appuie sur une approche multi-échelles, du microorganisme au bioréacteur associant expérience et modélisation dans le but: (i) d’obtenir des souches pures et des consortia anaérobies à forte activité hydrogénophile; (ii) d’intensifier le transfert de matière gaz-liquide; (iii) d’optimiser l’injection de CO2/H2 et les conditions opératoires en modes in- et ex-situ. Le programme sur 48 mois est réparti en quatre tâches (WP) auxquelles s’ajoutent la tâche WP0 dédiée à la coordination du projet et à la valorisation des résultats. En détail, le WP1 vise l’acquisition de connaissances fondamentales indispensables au projet, comme la mesure des propriétés thermodynamiques et de transport de H2 dans les milieux biologiques, la sélection de souches à haute activité hydrogénophile et la mise au point des méthodes moléculaires de suivi quantitatif adaptées. Les WP2 (ex-situ) et WP3 (in-situ) regroupent en parallèle l’ensemble des travaux expérimentaux visant à optimiser la conversion du CO2 et la productivité en CH4. Ils s’intéresseront à la fois aux paramètres biotiques (stratégie d’enrichissement) et abiotiques (pression, temps de séjour…) et s’attacheront à quantifier les mécanismes physiques (transfert de masse, accélération par la réaction…) et biologiques (impact sur le microbiome, inhibition de voies métaboliques…) induits par l’injection de mélanges H2/CO2. Pour le WP2, un verrou spécifique concerne le design d’un bioréacteur dédié de type colonne à bulles/airlift pour lequel les choix technologiques permettront un meilleur contrôle du mélange et de l’aire interfaciale. Pour le WP3, le principal verrou est le couplage des processus de digestion anaérobie et de BIOM qui sera levé par une étude parallèle des conditions in- et ex-situ. Enfin, le WP4 établira des modèles robustes à partir des données des WP2 et WP3 afin de conduire une analyse techno-économique et environnementale de la filière. Celle-ci s’appuiera sur deux scénarios mettant en jeu la BIOM in- (biogaz enrichi en sortie de digesteur) et ex-situ (conversion du CO2 après épuration du biogaz) dans le cas d’unités de méthanisation.

Le projet a été prolongé de 6 mois et n'est pas encore finalisé. Trois thèses doivent être soutenues (dont deux financées par le projet) et deux soutenances sont déjà prévues respectivement pour le 10/12 et le 19/12/2024.

Le WP1 s'est achevé par identification la sélection et l'isolement d'une souche d'archée méthanogène spécifique qui a fait l'objet d'une dépôt (Methanothermobacter marburgensis Clermont) selon le Traité de Budapest le 20 octobre 2022 auprès du DSMZ. LE WP1 a également permis de valider la présence d'une limitation de la vitesse de réaction par le transfert de matière gaz-liquide du gaz H2 et d'obtenir des données quantitatives des coefficients de transfert gaz-liquide (kLa) en fonction de la température, de la pression et du débit de gaz.

Le WP2 a permis le design et l'optimisation des conditions opératoires d'une réacteur de méthanation biologique ex-situ de type colonne à bulles à circulation de liquide inversée de 3 litres utiles dans lequel des supports spécifiques pour les microorganisms sont suspendus ont été ajoutés. Ces travaux ont permis le dépôt d'un brevet national, en cours d'extension à l'international (WO2024/099984A1). Ils ont également permis de lancer un programme de pré-maturation puis de maturation avec Clermont Auvergne Innovation qui a permis de financer un prototype de colonne à bulles de 12 L, puis un projet de création de startup qui a été lauréat du concours national I-Lab 2024.

Le WP3, pas encore finalisé, a montré le rôle majeur de l'OLR (organic loading rate) sur la méthanation biologique in-situ, ainsi que le rôle de certains nutriments. Une thèse présentant ces résultats devrait être soutenue début 2025.

Le WP4 n'est pas encore achevé, mais la modélisation d'un procédé de méthanation biologique ex-situ par un logiciel de simulation de procédé est en cours et les données nécessaires à l'Analyse des Cycles de Vie permettant de comparer les voies in- et ex-situ ont été fournies au sous-traitant en charge de l'ACV. .

Même si le projet n'est pas encore achevé et que toutes les perspectives ne sont pas encore définies, la startup BioUpp sera créée le 01/11/2024 et disposera d'une licence exclusive du brevet déposé dans le cadre du WP2. Des discussion avec des partenaires industriels sont en cours, à la fois pour la mise en oeuvre de la souche Methanothermobacter marburgensis Clermont et de la technologie développée dans le projet.

Du point de vue fondamental, un projet ANR JCJC Metha-Nov 2025-2028 a été obtenu par un des partenaires du projet pour la recherche de souches d'archées méthanogènes efficientes à plus basse température que la souche thermophile Methanothermobacter marburgensis Clermont. De même, de nombreux travaux sont encore nécessaire afin de comprendre l'influence des agents de surface sur le transfert gaz-liquide d'hydrogène et une thèse sur financement CMA Académie des Mobilités Durables a été lancée sur ce sujet en novembre 2024.

Dans la perspective d'une valorisation du CO2 et d'une réduction des émissions nettes de GES, le projet BIOMIntens a pour objectif d’intensifier le procédé de méthanation biologique (BIOM), par ailleurs brique technologique de la stratégie Power-to-Gaz pour le stockage à moyen terme voire saisonnier de l’énergie électrique. Dans le but d’accroître la production de biométhane neutre en CO2 en utilisant le H2 produit à partir des surplus d’électricité renouvelable intermittente, le projet vise l’enrichissement du biogaz produit par les unités de méthanisation comme préconisé dans le cadre de la politique de transition énergétique. Deux voies à fort potentiel seront comparées: l’injection d’H2 dans un méthaniseur (BIOM in-situ), et la mise en œuvre d’un réacteur dédié traitant des mélanges CO2/H2 par un consortium microbien ou des cultures pures (BIOM ex-situ). Dans ce but, une méthodologie transdisciplinaire originale est proposée, associant microbiologie, génie microbiologique, génie des procédés, écologie microbienne et analyse de cycles de vie à partir des compétences de trois partenaires publics, l’IP (UMR CNRS 6602), le LMGE (UMR CNRS 6023), le LBE (INRAE, UR50) et d’un partenaire privé (Bio-Valo). Elle s’appuie sur une approche multi-échelles, du microorganisme au bioréacteur associant expérience et modélisation dans le but: (i) d’obtenir des souches pures et des consortia anaérobies à forte activité hydrogénophile; (ii) d’intensifier le transfert de matière gaz-liquide; (iii) d’optimiser l’injection de CO2/H2 et les conditions opératoires en modes in- et ex-situ. Le programme sur 48 mois est réparti en quatre tâches (WP) auxquelles s’ajoutent la tâche WP0 dédiée à la coordination du projet et à la valorisation des résultats. En détail, le WP1 vise l’acquisition de connaissances fondamentales indispensables au projet, comme la mesure des propriétés thermodynamiques et de transport de H2 dans les milieux biologiques, la sélection de souches à haute activité hydrogénophile et la mise au point des méthodes moléculaires de suivi quantitatif adaptées. Les WP2 (ex-situ) et WP3 (in-situ) regroupent en parallèle l’ensemble des travaux expérimentaux visant à optimiser la conversion du CO2 et la productivité en CH4. Ils s’intéresseront à la fois aux paramètres biotiques (stratégie d’enrichissement) et abiotiques (pression, temps de séjour…) et s’attacheront à quantifier les mécanismes physiques (transfert de masse, accélération par la réaction…) et biologiques (impact sur le microbiome, inhibition de voies métaboliques…) induits par l’injection de mélanges H2/CO2. Pour le WP2, un verrou spécifique concerne le design d’un bioréacteur dédié de type colonne à bulles/airlift pour lequel les choix technologiques permettront un meilleur contrôle du mélange et de l’aire interfaciale. Pour le WP3, le principal verrou est le couplage des processus de digestion anaérobie et de BIOM qui sera levé par une étude parallèle des conditions in- et ex-situ. Enfin, le WP4 établira des modèles robustes à partir des données des WP2 et WP3 afin de conduire une analyse techno-économique et environnementale de la filière. Celle-ci s’appuiera sur deux scénarios mettant en jeu la BIOM in- (biogaz enrichi en sortie de digesteur) et ex-situ (conversion du CO2 après épuration du biogaz) dans le cas d’unités de méthanisation. Les livrables permettront de positionner la soutenabilité de la BIOM comme procédé de valorisation du CO2, de production de biométhane neutre en CO2 et comme brique technologique clé dans les scénarios de transition énergétique. Ils fourniront les connaissances nécessaires au transfert de technologie vers l’échelle industrielle. Les retombées économiques à plus long terme impacteront le secteur de la méthanisation et le projet devrait démontrer que la BIOM constitue une alternative sûre et sociétalement acceptable de réutilisation du CO2 et de stockage des énergies renouvelables intermittentes.