Couplage de la fermentation sombre anaérobie et de la biométhanation pour la production de biométhane

Coupling of anaerobic dark fermentation and biomethanation for biomethane production

• Auteur / Autrice : Ludovic Vauthier
• Direction : Stéphane Delaunay
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Procédés Biotechnologiques
• Date : Inscription en doctorat le 22/10/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LRGP - Laboratoire Réactions et Génie des Procédés
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Axe 3 - BIOPROMO - Bioprocédés Biomolécules

Mots clés

Mots clés libres

Méthane

Hydrogène

Bioénergie

Procédés microbiens

Methane

Hydrogen

Bioenergy

Microbial processes

Résumé

Les procédés de biométhanisation permettent, par la dégradation anaérobie de la matière organique, l'obtention d'un biogaz composé majoritairement de CH4 et de CO2 à hauteur de, respectivement, 55% et 40%, environ. Afin d'accroitre le taux de méthane dans ce biogaz, et, par exemple, atteindre des niveaux compatibles avec une injection du biogaz dans le réseau de gaz naturel, la réaction de méthanation peut être soit favorisée au cours de la méthanisation soit appliquée en aval. Celle-ci consiste en la conversion du CO2 en CH4 et peut être catalysée par des micro-organismes tels que des Archae méthanogènes hydrogénotrophes. Des procédés de biométhanation sont actuellement en voie d'industrialisation. Ces derniers utilisent essentiellement de l'hydrogène issu de l'électrolyse de l'eau. Or, certains microorganismes tels que ceux du genre Clostridium ont la capacité de synthétiser de l'hydrogène à partir de ressources organiques renouvelables. Cette approche est faiblement énergivore et respectueuse de l'environnement mais fait encore face à de nombreux challenges avant d'envisager une montée en échelle tels que les performances de production de l'hydrogène, qui demeurent faibles, et le couplage entre la production d'hydrogène et la biométhanation. La thèse a pour objectif global d'apporter des éléments de réponse sur ces 2 verrous. Elle se déclinera donc selon les 3 items suivant : Production d'hydrogène : plusieurs microorganismes, en culture pure ou en consortium, synthétisent de l'hydrogène. Le travail de thèse se focalisera sur la culture pure de Clostridium acetobutylicum qui, en acidogénèse, synthétise de l'hydrogène mais aussi du CO2 et des acides organiques comme produits de fin de fermentation. Cette partie de la thèse aura pour objectif de définir les conditions optimales de synthèse, en mode continu, d'hydrogène. Différents types de substrats pourront également être testés. Couplage production d'hydrogène / biométhanation : l'étape de biométhanation sera réalisée par un consortium microbien issu d'un digestat de méthanisation. L'impact de l'incorporation du mélange gazeux issu de la culture de C. acetobutylicum sera mesuré sur les performances du procédé de méthanation ainsi que sur la diversité microbienne au sein du consortium (approche métagénomique). Il sera ainsi possible d'évaluer la nécessité d'étapes intermédiaires d'épuration de l'effluent gazeux contenant l'hydrogène. Inversement, l'impact de la consommation d'hydrogène par la réaction de biométhanation sur la physiologie de C. acetobutylicum sera également caractérisé. Modélisation du procédé couplé : les performances du procédé couplant fermentation sombre anaérobie et biométhanation seront modélisées du point de vue cinétique voire métabolique afin d'identifier les paramètres clé et les verrous pour une montée en échelle du procédé développé au cours du travail de thèse.

Biomethanation process, through the anaerobic degradation of organic matter, allows to obtain a biogas composed mainly of CH4 and CO2 up to approximately 55% and 40%, respectively. To increase the level of methane in this biogas, and, for example, to reach levels compatible with an injection of biogas into the natural gas network, the methanation reaction can either be favoured during the methanation or applied downstream. This consists of the conversion of CO2 into CH4 and can be catalyzed by micro-organisms such as hydrogenotrophic methanogenic Archae. Biomethanation processes are currently being industrialized. They mainly use hydrogen from water electrolysis. However, some microorganisms, such as those belonging to the genus Clostridium, have the ability to synthesize hydrogen renewable organic resources. This approach consumes less energy consumption and is respectful of the environment. But it still faces many challenges before considering scaling-up, such as the production performance of hydrogen, which remains low, and the coupling between the production of hydrogen and biomethanation. The overall objective of the thesis is to provide some answers on these 2 bottlenecks. Three items are proposed: - Hydrogen production: several microorganisms, in pure culture or in consortium, synthesize hydrogen. The thesis work will focus on the pure culture of Clostridium acetobutylicum which, in acidogenesis, synthesizes hydrogen but also CO2 and organic acids as fermentation end-products. This part of the thesis will aim to define the optimal conditions for the synthesis, in continuous mode, of hydrogen. Different types of substrates could also be tested. - Coupling of Hydrogen production: coupling: the biomethanation stage will be carried out by a microbial consortium derived from an anaerobic digestion digestate. The impact of incorporating the gas mixture from the culture of C. acetobutylicum will be measured on the performance of the methanation process as well as on the microbial diversity within the consortium (metagenomic approach). It will thus be possible to assess the need for intermediate stages of purification of the gaseous effluent containing hydrogen. Conversely, the impact of hydrogen consumption by the biomethanation reaction on the physiology of C. acetobutylicum will also be characterized. - Modeling of the whome process: the performance of the process coupling anaerobic dark fermentation and biomethanation will be modeled from a kinetic or even metabolic point of view in order to identify the key parameters and the bottleneks for scaling up the process developed during the thesis work.