Développement de modèles cinétiques et optimisation paramétrique pour la bioproduction d’hydrogène par fermentation obscure

Development of kinetic models and parametric optimization for the bioproduction of hydrogen by dark fermentation

• Auteur / Autrice : Zineb Guellout
• Direction : Barbara Ernst, Yacine Benguerba
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et bioprocédés
• Date : Soutenance le 04/12/2019
• Etablissement(s) : Strasbourg en cotutelle avec Université Ferhat Abbas (Sétif, Algérie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des Sciences chimiques (Strasbourg ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (Strasbourg ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Abdeslam-Hassen Meniai
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Barbara Ernst, Yacine Benguerba, Abdeslam-Hassen Meniai, François Lesage
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdeslam-Hassen Meniai, François Lesage

Mots clés

Mots clés contrôlés

Technique de la production

Fermentation

Génération d'hydrogène

Énergie de la biomasse

Mots clés libres

Hydrogène

Bioprocédé

Fermentation obscure

Biomasse

Modélisation

Optimisation

Cinétique

Hydrogen

Bioprocess

Dark fermentation

Biomass

Modelling

Optimization

Kinetics

Résumé

Dans le contexte actuel de transition énergétique, la perspective de production d’un vecteur énergétique comme l’hydrogène via un procédé biologique (fermentation obscure) présente un intérêt majeur. Dans cette thèse, des modèles mathématiques ont été développés pour modéliser et optimiser le procédé de production d’hydrogène par fermentation, dans l’objectif de transférer ce processus de l’échelle laboratoire à l’échelle pilote. Une optimisation de la teneur initiale en substrat modèle pour obtenir un rendement d’hydrogène élevé a été réalisée en se basant sur un modèle mathématique modifié, intégrant un facteur de correction permettant de modéliser toutes les phases de fermentation. Une vitesse de production d’hydrogène de 5 L/Lbioréacteur/j a été obtenue à une concentration en substrat de 13 g/L. Une étude des cinétiques microbiennes lors la production d’hydrogène par fermentation endogène d’une biomasse viticole a été réalisée en identifiant les interactions ayant lieu entre les bactéries de différents genres ainsi qu’en optimisant la charge initiale de biomasse. Enfin, l’application du plan d’expériences de Plackett-Burman a permis d’augmenter la performance de production d’hydrogène par fermentation d’une biomasse caféicole jusqu’à 48% en conjuguant les prétraitements enzymatique, thermique et chimique.

In the current context of energy transition, the prospect of producing an energy vector such as hydrogen via a biological process (dark fermentation) is of major interest. In this thesis, mathematical models have been developed to model and optimize the hydrogen production process by fermentation, with the aim of transferring this process from a laboratory scale to a pilot scale. An optimization of the initial substrate content to obtain a higher hydrogen yield was made based on a modified mathematical model incorporating a correction factor allowing to model all phases of fermentation. A hydrogen production rate of 5 L/Lbioreactor/d was obtained at a substrate concentration of 13 g/L. A study of microbial kinetics during the production of hydrogen by an endogenous fermentation of a viticultural biomass has been done by identifying interactions between the bacteria of different genera as well as by optimizing the initial biomass load. Finally, the application of Plackett-Burman's experimental design allowed to increase the hydrogen yield produced by silver skin biomass fermentation up to 48% combining enzymatic, thermal and chemical pretreatments.