Voies d'intensification d'un nouveau procédé biologique de réduction du CO2

Intensification ways of a new CO2-reduction biological process

• Auteur / Autrice : Louis Cornette de Saint Cyr
• Direction : Laurence Soussan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie et microbiologie
• Date : Soutenance le 25/10/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Bernet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Siatka
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maxime Pontié, Alain Bergel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bioélectrochimie

Microbiologie

Biodégradation

Dioxyde de carbone

Mots clés libres

Réduction du CO2

Microbiologie

Bio-Électrochimie

CO2 reduction

Microbiology

Bio-Electrochemistry

Résumé

De précédents travaux conduits à l’IEM ont permis d’identifier une souche bactérienne capable de réduire le CO2 en formiate en réacteur fermé dans un milieu de réaction minéral. Ce nouveau procédé de réduction du CO2 est particulièrement attractif car la réaction a lieu en conditions physiologiques et ne nécessite pas d’apport externe en énergie (de type photons, dihydrogène ou cofacteurs). Ces travaux sont aussi parvenus à intensifier les performances de réaction par un facteur 35 en implémentant la souche dans un réacteur à flux continu de CO2 assisté par électrolyse (cellule microbienne d’électrolyse ou bio-électrolyseur). De nombreux paramètres restaient toutefois à élucider ou à optimiser. Une étude multiparamétrique en réacteur fermé a permis de mettre en évidence des paramètres opératoires influençant l’activité CO2-réductrice de la souche, notamment son âge, ses conditions de culture et de conservation, la composition du milieu de réaction, sa concentration initiale, et la présence d’une autre souche dans le milieu de réaction. En bio-électrolyseur, les performances du procédé étaient jusqu’alors évaluées par la mesure d’un courant de réduction dépendant du CO2. Ici, une montée en échelle du réacteur de 100 à 500 mL a été réalisée pour mettre en œuvre une méthode de dosage directe et fiable de l’abattement en CO2 aux bornes du réacteur (par GC-TCD). Par ce moyen, il a été observé un abattement près de 100 fois supérieur à celui calculé sur la base du seul courant de réduction, suggérant un mécanisme électro-fermentaire. A notre connaissance, ce résultat est le meilleur reporté à ce jour en bio-électrolyseur, et à peine 10 fois plus faible que la meilleure performance obtenue en photobioréacteur. Cette méthode de dosage a alors été utilisée pour étudier l’impact de plusieurs paramètres sur le flux de CO2 réduit par le procédé. Un flux optimisé de 1.85 ± 0.31 NLCO2,abattu/gbiomasse sèche/j a été obtenu sur au moins 33 jours. Un tel flux permet de compenser les émissions en CO2 de la phase de culture en 26 jours (soit 3 fois plus vite qu’avec la souche pure), ce qui rend positif le bilan carbone de l’ensemble du procédé.

Previous works carried out at IEM allowed to identify a bacterial strain able to reduce CO2 into formate in batch reactor in a mineral reaction medium. This new CO2-reduction process is particularly attractive since the reaction occurs in physiological conditions and does not require external energy inputs (such as photons, hydrogen or cofactors). These works also intensified the reaction performances by a factor 35 by implementing the strain in a reactor continuously fed by CO2 and assisted by electrolysis (microbial electrolysis cell or bio-electrolyzer). However, numerous parameters remained to be elucidated or optimized. A multiparametric study in batch mode then allowed to evidence operating parameters influencing the CO2-reducing activity of the strain, including its age, its cultivation and conservation conditions, the reaction medium composition, its initial concentration and the presence of another strain in the reaction medium. In the bio-electrolyzer, the process performances were previously assessed by measuring a reduction current dependent on CO2. A scale-up of the reactor from 100 to 500 mL was herein carried out to implement a method for direct and reliable measurement of the CO2 removal between the reactor inlet and outlet (by GC-TCD). By this means, a CO2-removal nearly 100 times higher than the one calculated from the reduction current was measured, suggesting an electro-fermentation mechanism. To the best of our knowledge, this result is the best one reported in a bio-electrolyzer and it is only 10 times lower than the best performance obtained in a photobioreactor. This GC-TCD method was then used to study the impact of several parameters on the CO2-removal flow allowed by the process. An optimized flow of 1.85 ± 0.31 NLCO2,removed/gdry biomass/d over at least 33 days. Such a flow permits to compensate the emissions of the growing phase in 26 days (i.e. 3 times faster than with the pure strain), thus making positive the carbon footprint of the global process.