Stockage et utilisation du CO2 par précipitation de carbonate de calcium induite par voie biologique dans le cycle phototrophe du soufre

CO2 Storage and Utilization through biologically induced calcium carbonate precipitation in phototrophic sulfur cycle

• Auteur / Autrice : Morgane Carrier
• Direction : Mathieu Sperandio
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2021
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : SYMBIOSE - Ecosystèmes microbiens et bioprocédés d'épuration et de valorisation
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées (Toulouse ; 1961-....)

Mots clés

Mots clés libres

Cycle du soufre

Précipitation Induite Microbiologiquement

Stockage du CO2

Bactéries phototrophes

Carbonates de calcium

Calcium carbonate

CO2 Storage

Microbial Induced Precipitation

Sulfur cycle

Phototrophic bacteria

Résumé

Toulouse Biotechnology Institute (TBI) est une unité mixte de recherche de l'INSA de Toulouse, l'INRAE (UMR 792), et CNRS (UMR 5504). TBI est un institut de recherche multidisciplinaire qui compte 350 employés dans de multiples disciplines : microbiologie, biocatalyse, bioprocédés, techniques de séparation, évaluation environnementale. Reconnu internationalement, TBI occupe une position innovante à l'interface entre les sciences du vivant et les sciences des procédés. (http://www.toulouse-biotechnology-institute.fr). Ce projet de doctorat, lié à l'école doctorale MEGEP, sera accueilli par l'équipe nommée SYMBIOSE, 'Ecosystèmes microbiens et bioprocédés pour l'épuration et la valorisation', et supervisé par Pr. Mathieu Sperandio (23 doctorants supervisés, H-index 25). Avec 12 permanents et 15 doctorants, l'équipe SYMBIOSE encourage une recherche interactive et multidisciplinaire en biotechnologie environnementale. Le groupe a développé sa recherche sur les systèmes de traitement des déchets et des eaux usées industriels et municipaux, et s'est concentré au cours de la dernière décennie sur la récupération des ressources, basée sur des technologies biologiques et physico-chimiques combinées. Description du projet de recherche Les processus microbiens et les biotechnologies environnementales peuvent jouer un rôle majeur pour relever les principaux défis de l'atténuation du réchauffement climatique et de la réduction des perturbations des écosystèmes par les déchets humains ou les eaux usées. Non seulement les réactions microbiennes peuvent être utilisées pour le traitement de déchets et la captation des nutriments, mais elles peuvent également favoriser la séquestration du CO2 par la production concomitante de biomasse et la précipitation de carbonate induite biologiquement. Notre ambition est de développer une technologie visant à simultanément récupérer le CO2 (provenant de l'industrie ou du biogaz) et à valoriser les nutriments des déchets ou des eaux usées. Comme les algues, les bactéries phototrophes comme les cyanobactéries et les bactéries pourpres sont naturellement capables de favoriser cette séquestration du CO2 par la précipitation de carbonate de calcium. Fondamentalement, tous les micro-organismes pouvant induire une alcalinisation (augmentation locale du pH) ont un potentiel pour induire cette précipitation, qui est renforcé par les exopolymères liés au calcium produits par leur métabolisme. Les espèces microbiennes impliquées dans le cycle du soufre présentent notamment ce potentiel. Certaines bactéries pourpres sont capables d'oxyder l'hydrogène sulfuré en sulfate et sont cultivables de manière sélective en condition phototrophe. Associé à des bactéries réductrices de sulfate, le cycle du soufre est ainsi un moyen innovant de capter le CO2 et de traiter des déchets. Dans ce contexte, l'objectif du doctorat est (1) d'étudier la sélection et le contrôle des consortiums microbiens dédiés à ces processus dans des bioréacteurs spécifiques (biofilm et/ou réacteurs granulaires), (2) d'examiner les synergies entre les biocinétiques et les processus physico-chimiques induisant la précipitation, (3) de développer une approche de modélisation pour optimiser et extrapoler le système. Ces travaux seront basés sur des expériences à l'échelle du laboratoire, sur des bioréacteurs spécialement conçus pour des expériences batch et continu, sur des méthodes analytiques chimiques et biochimiques permettant de suivre les nutriments consommés, les bioproduits, la communauté microbienne et les minéraux produits. Le candidat au doctorat sera chargé de concevoir les expériences, de planifier et réaliser le programme analytique, de développer des modèles mathématiques pour optimiser le procédé et proposer des critères de dimensionnement. Le travail sera soutenu par les plateformes techniques et analytiques de TBI et par une équipe technique.

Toulouse Biotechnology Institute (TBI) is a mixed research unit hosted by INSA of Toulouse, and linked to INRAE (UMR 792), CNRS (UMR 5504). INSA-Toulouse is an academic engineering school of Toulouse University, with 8 engineering departments. Toulouse Biotechnology Institute (TBI) is a multidisciplinary research institute with 350 employees in multiple disciplines: microbiology, biocatalysis, bioprocesses, separation techniques, environmental assessment. Internationally recognized, TBI holds an innovative position at the interface between life sciences and process sciences. (http://www.toulouse-biotechnology-institute.fr) This PhD project, related to Process and Environmental Engineering doctoral school, will be hosted by the team named SYMBIOSE, “microbial ecosystems and bioprocessing purification and recovery team”, and supervised by Professor Mathieu Sperandio (23 PhD supervised, H-index 25). With 12 permanent staffs and 15 PhD candidates, Symbiose team promotes interactive and multidisciplinary research for environmental biotechnology. The group has developed research on systems for industrial and municipal waste and wastewater management for the last 40 years, and focused in the last decade on resource recovery, based on combined biological and physico-chemical technologies. Research project description Microbial processes and environmental biotechnology can play a major role to face the key challenges of global warming mitigation and reduction of ecosystems disturbance by human waste or wastewater. Not only microbial reactions can be used for wastewater and nutrients capture and recovery, but they can also promote CO2 sequestration by concomitant biomass production and biologically induced carbonate precipitation. Our ambition is to develop biotechnology aiming to recover CO2 gas (from industry or from biogas) and simultaneously remove or valorize nutrients from waste or wastewater. As algae, phototrophic bacteria as cyanobacteria and purple bacteria are naturally able to promote such CO2 sequestration through calcium carbonate precipitation. Basically all microbes which can induce alkalinisation (local pH increase) have a potential which is reinforced by calcium linked exopolymers produced by their metabolism. The microbial species involved in sulfur cycle show good potential. For instance some purple bacteria are able to oxidize H2S into sulfate and be selectively grown phototrophic condition. Coupled with sulfate reducing bacteria, the achievement of the sulfur cycle could be an innovative way for CO2 sequestration and waste or wastewater treatment. In this context, the objective of the PhD is (1) to investigate the selection and control of dedicated microbial consortia growing in specific bioreactors (biofilm and/or granular reactors), (2) to scrutinize the synergies between biokinetics and physical-chemical reactions inducing precipitation, (3) to develop a modelling approach for optimizing and extrapolating the system. This work will be based on lab-scale experiments, specifically designed bioreactor set-up for batch and continuous experiments, chemical and biochemical analytical methods for following the nutrients consumed, the bioproducts, the microbial community and the minerals produced. The PhD candidate will be in charge of designing of the experiments and planning and realizing analytical program, developing mathematical models to optimize the process and propose design criteria. The work will be supported by TBI technical and analytical platforms and a technical staff.