Vous êtes

Sélectionner

Réduire la taille texte Rétablir la taille du texte par défaut Agrandir la taille du texte Partager cette page Favoris Courriel Imprimer

Utiliser nos déchets organiques pour produire des molécules chimiques : la technologie Biorare

Microorganismes électroactifs sur des anodes oxydant des pulpes de déchets alimentaires.© Irstea / Zhen Li

07/11/2017

D’ici 2025, nos déchets organiques seront collectés séparément. Soit des dizaines de millions de tonnes de déchets qui devront être traités via des procédés spécifiques. Parmi eux : compostage, méthanisation mais aussi, concept plus émergent, production de molécules pour l’industrie chimique. Avec le projet Biorare, Irstea et ses partenaires - Inra, CNRS, SUEZ - proposent une technologie inédite, basée sur l’électrosynthèse microbienne, qui s’avère des plus pertinentes pour à la fois traiter nos déchets et booster le développement de la chimie verte.

45 millions de tonnes de déchets organiques (hors déchets agricoles)1 sont produits chaque année en France. Déjà triés depuis 2012 par les gros producteurs (secteur de la restauration collective notamment), ces déchets seront systématiquement collectés séparément d’ici 2025, comme le prévoit la loi de transition énergétique. Développer des filières de traitement adaptées, opérationnelles et efficaces, constitue dès lors un enjeu majeur. Ainsi, en marge de l’optimisation des filières classiques du compostage et de la méthanisation, émerge une nouvelle alternative : l’utilisation des biodéchets comme matière première de l’industrie chimique et précisément des bioraffineries environnementales. Ou quand nos déchets se substituent au pétrole dans la production des molécules chimiques…

C’est dans ce contexte que s’inscrit le projet de recherche collaboratif Biorare, coordonné par Irstea. Son but : concevoir des bioraffineries environnementales à partir du processus de l’électrosynthèse microbienne. De quoi s’agit-il ? Du processus biologique par lequel des microorganismes peuvent utiliser l’électricité, plus précisément les électrons, comme source d’énergie pour transformer le dioxyde de carbone (CO2) en molécules carbonées plus complexes utiles à leur croissance.

Fiche d’identité du projet Biorare
  • Date : 2011-2017
  • Coordinateur : Théodore Bouchez, Irstea
  • Partenaires : Irstea (Rennes et Antony), Inra, CNRS, SUEZ
  • Financement : 2,2 millions d’euros (PIA ANR – AAP Bioressources et Biotechnologies 2010)
  • Résultats scientifique et technologique : 11 publications scientifiques dans des revues de rang A – 3 brevets – Degré de maturité technologique atteint TRL 4

Une technologie en totale rupture

« C’est à partir de la découverte de l’électrosynthèse microbienne par des chercheurs américains en 2010 que nous avons imaginé la technologie Biorare : coupler, grâce à un dispositif électrochimique (voir schéma), l’oxydation des déchets organiques par des microorganismes d’un côté et, de l’autre, l’électrosynthèse microbienne, soit la transformation du CO2 en molécules carbonées par d’autres microorganismes. Le tout reposant sur la production d’électrons par la première réaction et l’utilisation de ces mêmes électrons par la seconde », explique Théodore Bouchez, chercheur de l’unité Hydrosystèmes et bioprocédés d’Irstea et coordinateur du projet. Un procédé totalement inédit et d’une très grande ingéniosité puisque, une fois produites par les microorganismes, ces molécules carbonées, telles que l’acétate ou des dérivés comme l’éthanol, sont libérées dans le milieu extérieur. Reste alors à les récupérer…

Le système électrochimique se compose de deux électrodes, anode et cathode, qui assurent le transport des électrons. Elles sont immergées dans un milieu conducteur, dans lequel elles sont séparées par une membrane. Côté anode, les déchets oxydés par les microorganismes produisent des électrons qui circulent vers la cathode ; là, ils sont utilisés par les microorganismes qui réalisent l’électrosynthèse microbienne, c’est-à-dire transforment le CO2 en molécules organiques. © Irstea

Ce dispositif de production de molécules chimiques unique en son genre lève plusieurs verrous qui limitent le développement des bioraffineries environnementales :

  • les molécules obtenues sont plus faciles à extraire que dans les autres procédés, puisque les deux réactions ont lieu dans deux compartiments séparés ;
  • habituellement difficile à contrôler, l’activité bactérienne devient directement modulable grâce au circuit électrique qui permet d’agir tel un interrupteur sur le métabolisme des microorganismes.

Quant aux types de molécules qui pourront être ainsi produites ? « Compte tenu des volumes (de l’ordre de 20 % de la masse de déchets utilisée) et des coûts de production estimés par nos modèles, le procédé devrait être particulièrement bien adapté à la production de molécules plateformes utilisées dans l’industrie chimique pour fabriquer d’autres molécules plus complexes, comme l’acide formique, l’acide acétique ou encore l’acide succinique. Des molécules qui servent elles-mêmes à l’élaboration des plastiques et des solvants notamment », précise Théodore Bouchez.

Un procédé économe

Dans le cadre de l’évaluation globale et notamment de l’analyse du cycle de vie du procédé, les scientifiques ont comparé la consommation électrique nécessaire à l’électrosynthèse microbienne seule et au procédé Biorare (soit lorsqu’elle est couplée à la production d’électrons via l’oxydation des déchets). Résultat : le procédé Biorare permet de diviser par trois la quantité d’électricité à fournir et, de fait, de réduire radicalement le coût de production des molécules.

« Même si le procédé n’est pas encore mature puisque nous sommes actuellement à un degré de maturation technologique TRL 42, l’évaluation menée ces six années confirme à tous niveaux la pertinence de la technologie », commente Théodore Bouchez. Alors les prochaines étapes se mettent déjà en place. Une société d'accélération de transfert de technologies (SATT) évalue actuellement le projet en vue de financer son développement jusqu’à une phase de pré-industrialisation (TRL 7). Si sa faisabilité est confirmée, les premières installations industrielles pourraient voir le jour d’ici une dizaine d’années.

Mais sans attendre, les scientifiques travaillent à la mise en œuvre d’un pilote Biorare qui sera associé à une unité de micro-méthanisation destinée à traiter les déchets d’une cantine (siège d’Irstea à Antony). Malgré un format réduit, ce pilote permettra, pour la première fois, de suivre et d’évaluer, en conditions réelles, la production de molécules chimiques à partir de biodéchets… Rendez-vous en 2019 pour connaître les premiers résultats.

En savoir plus

1- Source Ademe 2016.

2- L’échelle TRL (Technology Readyness Level) désigne le degré de maturité d’une technologie ; elle s’étend de TRL 1 à TRL 9.