Bio-E - Bioénergies

Conception basée sur la connaissance de piles à combustible microbiennes pour la production d'électricité à partir de déchets des filières agricole et forestière – AGRI-ELEC

Produire de l’électricité à partir de résidus agricoles et forestiers

From waste to power : transformer directement en énergie électrique l’énergie chimique contenue dans des déchets devient possible grâce à la technologie des piles à combustible microbiennes.

Des microorganismes qui catalysent les réactions électrochimiques

Le principe d’une pile à combustible repose sur deux électrodes : une anode qui assure l’oxydation du combustible et injecte les électrons produits dans le circuit externe et une cathode qui boucle le circuit, le plus souvent en réalisant la réduction de l’oxygène. L’intensité du courant qui traverse le circuit externe dépend de l’efficacité des catalyseurs qui accélèrent chacune des réactions d’électrode. Il a été découvert au début des années 2000 que certains micro-organismes sont capables de former à la surface des électrodes des biofilms qui catalysent les réactions électrochimiques et, en particulier, l’oxydation de très nombreuses matières organiques (acétates, sucres, alcools, acides gras volatils…). C’est un saut scientifique majeur qui ouvre des applications très prometteuses car il est devient alors possible d’exploiter comme combustible une grande variété de sources de matière organique renouvelables telles que les résidus agricoles et forestiers. Grâce à la technologie des piles à combustible microbiennes (PCM) l’énergie chimique contenue dans ces résidus peut être transformée directement en électricité.

Le projet AgriElec veut évaluer le potentiel des PCM pour la production d’électricité à partir d’effluents des industries du papier et de déchets agricoles (paille de blé, tige de maïs). La première phase du projet consiste à identifier des micro-organismes capables de catalyser l’oxydation électrochimique de ces composés. Des flores des sols et d’effluents sont investiguées en priorité. La très riche biodiversité des milieux Amazoniens (Guyane) constitue également une source privilégiée pour la recherche de micro-organismes électroactifs. Une procédure de formation de films microbiens (biofilms) a été définie afin de favoriser le développement des bactéries d’intérêt et optimiser la vitesse des transferts d’électrons aux interfaces électrode/biofilm.
Le couplage de l’électrochimie analytique aux outils de la biologie moléculaire et aux techniques d’imagerie par microscopie permet d’établir des corrélations entre l’électroactivité des biofilms, leur structure et leur composition microbienne. Des structurations de surface aux échelles micro et nano sont en cours de test afin d’améliorer la colonisation de la surface des électrodes par les micro-organismes d’intérêt. La plus grande partie des recherches est dédiée aux anodes microbiennes. Pour les cathodes, le projet mène en parallèle une voie abiotique avec la mise au point de cathodes à air et une voie biologique avec la mise en œuvre de souches capables de catalyser la réduction de l’oxygène.

A l’origine du projet, les densités de courant les plus élevées assurées par la technologie PCM étaient de l’ordre de 10 à 20 A/m2. En octobre 2011 un article s’adjugeait le record avec 30.8 A/m2. Le projet a identifié de nouveaux milieux dont la flore microbienne permet de former des biofilms électroactifs très efficaces sur l’anode. Des densités de courant supérieures à 50 A/m2 sont maintenant obtenues pour des potentiels inférieurs à 0V/ESH, valeurs qui se situent comme les meilleures performances actuelles. L’étude des mécanismes a permis d’atteindre des densités de courant de 65 A/m2, ce qui constitue une avancée de niveau mondial. Pour la catalyse de la réduction de l’oxygène une souche a été identifiée qui va permettre de réaliser la première cathode microbienne mono-espèce. Un brevet a été déposé sur un nouveau module de PCM qui permet d’accroitre leur durée de vie.

Le projet AgriElec a réalisé un saut remarquable en termes de performances des anodes microbiennes en travaillant sur les interfaces entre électrodes et biofilms sauvages. On peut espérer passer un nouveau seuil en travaillant sur des co-cultures microbiennes contrôlées, par exemple à partir des micro-organismes identifiés dans le projet. Les connaissances fondamentales acquises sur la formation des biofilms électroactifs appliquées à des cultures contrôlées pourrait permettre d’atteindre des densités de courant comparables à celles du photovoltaïque (>100 A/m2). Des cathodes microbiennes ont en outre été découvertes, capables de réduire le dioxyde de carbone en glycérol avec des densités de courant significatives. Etant hors du cadre du projet AgriElec cette piste n’a pas été explorée au-delà du dépôt d’un brevet, mais elle pourrait ouvrir une nouvelle voie de valorisation de CO2.

De nombreux résultats ont été exposés lors de conférences nationales et internationales, trois articles ont été publiés dans les meilleurs journaux de leur catégorie (IF 4 à 9) plus de dix sont soumis ou en préparation, deux brevets ont été déposés.

Les piles à combustible microbiennes (PCM) convertissent directement en énergie électrique l'énergie issue de l'oxydation d'une grande variété de matières organiques de très bas coûts disponibles dans les sédiments, les sols, les effluents urbains ou industriels. La catalyse des réactions d'oxydation est assurée par le développement de micro-organismes électro-actifs à la surface de l'anode.
Le projet Agri-Elec mobilise les compétences complémentaires de sept partenaires pour développer des PCM capables d'utiliser comme combustible des déchets des filières agricoles et forestières. Un premier objectif vise à avancer dans la compréhension fondamentale des mécanismes de catalyse électro-microbienne en particulier en couplant les techniques d'investigation électrochimiques avec les outils de la biologie moléculaire pour optimiser les propriétés électrochimiques de biofilms microbiens. Le but ultime est de mettre en œuvre ces connaissances pour concevoir une PCM exploitant des effluents d'industries papetières et diverses fractions de résidus agricoles.

Coordinateur du projet

Monsieur Alain Bergel (INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE - CENTRE D'ETUDES NUCLEAIRES DE FONTENAY AUX ROSES
COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE - CENTRE D'ETUDES NUCLEAIRES DE GRENOBLE
UNIVERSITE DES ANTILLES-GUYANE
CENTRE TECHNIQUE DU PAPIER

Aide de l'ANR 1 167 610 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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