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Du déchet au biocarburant : des microbes pleins d’énergie

Biofilms électroactifs sur des anodes oxydant des pulpes de déchets alimentaires © Irstea / Zhen Li et Arnaud Bridier

14/09/2015

Comment stocker l’énergie renouvelable issue d’éoliennes ou de panneaux photovoltaïques ? Nourrissez des microbes de courant électrique renouvelable et de CO2 et ils synthétiseront des molécules à fort potentiel (éthanol, butanol, etc.) – soit de l’énergie sous forme chimique pouvant être utilisée comme biocarburant ! Des chercheurs Irstea ont relevé le défi de l’électrosynthèse microbienne couplée au traitement des déchets organiques. Résultats : des réactions chimiques optimisées et une consommation d’électricité réduite ! Une avancée majeure.

L’après-pétrole se profile… Trouver des alternatives aux énergies fossiles est aujourd’hui nécessaire. Si l’éolien ou encore le solaire se sont largement développés, ces énergies renouvelables ne fonctionnent qu’en intermittence. Il faut ainsi parfois utiliser d’autres sources d’énergie pour stocker le surplus d’électricité (comme des centrales de pompage-turbinage) ou au contraire pour en produire (en absence de vent pour l'éolien par exemple). Les voitures électriques et hydbrides, quant à elles, sont équipées de batteries ; leur coût élevé et leur viabilité environnementale font s'interroger sur le développement d'autres vecteurs énergétiques.

La solution se trouve peut-être dans l’électrosynthèse microbienne.

Le procédé consiste en la production de molécules organiques d'intérêt par l’alimentation en électricité d’origine renouvelable et par la réduction du CO2 réalisée grâce à l’action de microorganismes. Ces molécules peuvent alors être utilisées comme carburant ou pour des synthèses chimiques. Une technologie extrêmement prometteuse pour la bioraffinerie de déchets organiques (alimentaires, verts, agricoles, etc.), matière première peu coûteuse et disponible en abondance [1]. Des déchets riches en énergie, mais hétérogènes et complexes. Comment faire alors pour utiliser cette énergie pour l'électrosynthèse microbienne ?

Une équipe Irstea a relevé le défi et est parvenue, pour la première fois, à optimiser le processus électrochimique, mais aussi à diviser par 3 la consommation d’électricité nécessaire à la transformation ! Une innovation [2] de portée mondiale.

Liaisons chimiques

L’électrosynthèse microbienne est expérimentée depuis le début des années 2010, notamment aux Etats-Unis. L’innovation made in Irstea ne réside donc pas dans le processus lui‑même, mais bien dans le procédé pour le mettre en oeuvre.

Décryptage. Les déchets contiennent des molécules riches en énergie. Cette énergie est extraite par oxydation (émission d’électrons) sur l’anode. L'énergie de ces électrons est augmentée à l'aide d'un générateur alimenté à partir d'électricité renouvelable. Ces électrons passent alors côté cathode où ils sont utilisés lors d’une réaction biologique : les microbes branchés à l’électrode se nourrissent de CO2 et de ces électrons pour fabriquer une molécule à valeur ajoutée. La fameuse molécule qui permet de stocker l’énergie produite par des sources d'énergie renouvelables (éolien, solaire, etc.).

© Irstea

Dans leurs recherches, les scientifiques américains utilisaient jusqu’à présent de l’eau à l'anode. Pourquoi alors utiliser ici des déchets organiques ? "Les déchets contiennent beaucoup plus d’énergie, explique Théodore Bouchez, responsable de l'équipe bioprocédés et biotechnologies microbiennes pour la valorisation des déchets. Et de ce fait, nous avons besoin de beaucoup moins de puissance électrique pour alimenter le dispositif." Cela se traduit par un potentiel électrostatique beaucoup plus bas sur une anode alimentée avec des déchets plutôt qu'avec de l'eau Et la baisse de potentiel est telle que la consommation électrique a été divisée par presque 3 !

"On a augmenté l’efficacité énergétique de la transformation."

Un réel facteur d’attractivité ! Le Département de l'Energie américain a d’ailleurs publié des études économiques autour de la rentabilité de la technologie de l’électrosynthèse microbienne. En calculant le prix de revient d’1 kg de molécules fabriquées, il est apparu que 2/3 voire 3/4 des coûts de production proviennent de l’énergie (solaire dans l’étude) investie dans le système. Pour Théodore Bouchez, c’est évident : "Diviser par 3 la consommation d’énergie en utilisant des déchets augmente l’attractivité économique de la technologie, même si le processus est plus délicat à mettre en œuvre qu’avec de l’eau et demande un vrai pilotage"... Car nous avons bien à faire à du vivant (les microbes), des deux côtés de l’installation !

Les électrons doivent ainsi être transmis de l’anode à la cathode avec la même intensité. Si l'anode délivre davantage d’électrons que ce que les microbes côté cathode ne sont capables de consommer, il risque d’y avoir une perte d’électrons et de l’hydrogène sera formé lors de la réaction. Au contraire, s’il en manque, il n’y aura pas assez pour fabriquer des molécules aussi vite que l'on pourrait. Aux microbes côté cathode aussi de ne pas être trop gourmands… "Une mauvaise synchronisation peut conduire à une inactivation totale du dispositif ! Nous l’avons constaté lors des premières expériences en laboratoire, mais nous avons réussi à comprendre ce qui se passait et à proposer des solutions pour résoudre le problème." Et ainsi, le brevet vit le jour.

Une technologie de rupture

Des résultats prometteurs, mais l’électrosynthèse microbienne doit encore faire ses preuves. Aujourd’hui, les molécules produites en routine sont essentiellement des molécules organiques simples (méthane, acides carboxyliques). D'autres molécules plus intéressantes (alcools, cétones…) ont déjà été produites, mais il faut encore optimiser et fiabiliser le processus.

"C’est une technologie de rupture, mais la vitesse à laquelle on réalise aujourd’hui ces transformations est encore faible et serait à ce stade limitante pour que cela devienne une technologie de production de masse."

Cela n’empêche pas de se projeter… L’idée du projet BIORARE [3], dans lequel s’inscrivent ces recherches, serait ainsi de coupler ce dispositif à une installation de méthanisation des déchets, productrice d’énergie : des déchets, de l’électricité et du CO2 fournis en direct. Une seule et même filière, optimisée au maximum.

Consulter l'offre technologique.

En savoir plus

[1] En France, 345 millions de tonnes de déchets sont produits, selon l'Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (Ademe – Chiffres 2012)

[2] Brevet déposé no. 14.59281 "Procédé et dispositif de régulation de l’activité d’un système bioélectrochimique comportant à la fois une bioanode et une biocathode", T. Bouchez et E. Desmond (Irstea).

[3] Le projet BIORARE (2011-2016), financé au titre du Programme Investissements d’Avenir AAP Biotechnologies et Bioressources. IL regroupe 5 partenaires : Irstea (unités de recherches HBAN et GERE), INRA-LBE, CNRS-LGC et Suez-Environnement.