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Article

1 - BASES PHYSIOLOGIQUES ET THERMODYNAMIQUES DE LA PRODUCTION D'HYDROGÈNE PAR DIGESTION ANAÉROBIE ET « FERMENTATION SOMBRE »

2 - GISEMENTS DE MATIÈRES ORGANIQUES DE PRODUCTION DE BIOHYDROGÈNE

  • 2.1 - Substrats riches en sucres
  • 2.2 - Déchets agricoles

3 - ACTEURS MICROBIENS DE LA DIGESTION ANAÉROBIE

4 - PROCÉDÉS DE PRODUCTION DE BIOHYDROGÈNE

5 - MODÉLISATION DES PROCESSUS DE PRODUCTION ET DE CONSOMMATION D'HYDROGÈNE DE LA FERMENTATION SOMBRE

6 - EN GUISE DE CONCLUSION

| Réf : BIO3351 v1

Procédés de production de biohydrogène
Production de biohydrogène : voie fermentaire sombre

Auteur(s) : Éric LATRILLE, Éric trably, Christian LARROCHE

Date de publication : 10 mai 2011

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RÉSUMÉ

Le présent article passe en revue les principes et les performances actuelles des procédés de production d'hydrogène par la voie microbiologique dite "sombre". Les techniques de conduite et de caractérisation de fermentation impliquant des cultures complexes sont plus particulièrement détaillées. Les dernières avancées de la recherche ainsi que les réalisations actuelles en termes de développement et de changement d’échelle sont également présentées. A ce stade des connaissances, quelques perspectives sont proposées, dont les différentes configurations possibles de systèmes multiétagés pour une valorisation optimale des matières organiques.

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Auteur(s)

  • Éric LATRILLE : Ingénieur de recherche au laboratoire de Biotechnologies de l'Environnement (UR050 – INRA-LBE Narbonne) - Ingénieur de l'École centrale de Lyon - Docteur en génie des procédés de l'Institut national agronomique Paris-Grignon (INA P-G, AgroParisTech)

  • Éric trably : Ingénieur de recherche et directeur adjoint au laboratoire de Biotechnologies de l'Environnement (UR050 – INRA-LBE Narbonne) - Ingénieur de l'Institut national des sciences appliquées de Toulouse (INSA) - Docteur en génie des procédés de l'université Montpellier

  • Christian LARROCHE : Professeur à Polytech Clermont-Ferrand, laboratoire de Génie chimique et biochimique – université Blaise Pascal - Ingénieur de l'Institut national des sciences appliquées de Toulouse (INSA) - Docteur d'état en génie des procédés de l'université Blaise Pascal (Clermont-Ferrand)

INTRODUCTION

Dans le monde du vivant, l'hydrogène est principalement un intermédiaire biochimique hautement réactionnel qui assure le transfert efficace d'électrons entre espèces microbiennes jouant le rôle de vecteur énergétique. Dans le monde industriel, la nature réactive de l'hydrogène fait qu'il est utilisé comme réactif dans de nombreux procédés de la chimie fine, de la pétrochimie et même de l'agroalimentaire ou comme carburant pour des applications en piles à combustible.

La fermentation orientée vers la production d'hydrogène est un procédé qui est apparu récemment dans le domaine des biotechnologies. Plutôt considérée comme un processus de dégradation indésirable de la matière organique générant des nuisances olfactives et des sous-produits sans grand intérêt, tels que l'acétate et le butyrate, elle est devenue attrayante par sa production d'hydrogène. D'un point de vue industriel, la filière de production d'hydrogène par fermentation sombre n'a pas encore un réel intérêt économique, mais le développement des industries de la filière du bioéthanol de seconde génération, transformant les plantes entières en sucres simples, fait naître de nouveaux espoirs via la valorisation des sous-produits de cette filière. En effet, la production d'hydrogène par fermentation s'applique à une large gamme de substrats organiques qu'il s'agisse d'hydrates de carbone purs ou non, de déchets organiques ou autres résidus agricoles. L'hydrogène ainsi produit serait de l'hydrogène « biosourcé » (ou biohydrogène).

Néanmoins, les limites à l'industrialisation de la production de dihydrogène par fermentation restent nombreuses. Les rendements moyens de conversion des hydrates de carbone, à l'échelle pilote, et dans de bonnes conditions de productivité, restent inférieurs à alors qu'il faudrait atteindre les pour obtenir une conversion totale, c'est-à-dire 1,6 L d'hydrogène par gramme de sucre. Afin d'améliorer les rendements de la filière, des couplages avec d'autres procédés biologiques ou chimiques doivent être considérés comme les photofermentations ou l'électrolyse microbienne (figure 1). Cette démarche intégrée est indispensable au succès d'une filière « biohydrogène », même si des difficultés de compatibilités des procédés apparaissent, soit par la présence de composés inhibiteurs, soit par des productivités très différentes conduisant à des dimensionnements délicats des installations. Cet article s'intéresse à la voie fermentaire sombre (étape 1 de la figure 1), les phases éclairées (étapes 2 et 3 de la figure 1) étant traitées dans un autre article [BIO 3 352].

Cet article aborde dans un premier temps les aspects théoriques de la production d'hydrogène par voie fermentaire sombre. La seconde partie est dédiée aux gisements de matière organique et à leur potentiel. Le troisième chapitre est consacré aux acteurs microbiens produisant de l'hydrogène, et une quatrième partie présente leur mise en œuvre en procédés. Enfin, des aspects de modélisation sont abordés.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bio3351


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4. Procédés de production de biohydrogène

4.1 Mise en œuvre du potentiel biologique de production du biohydrogène

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4.1.1 Source et préparation des inocula : prétraitement des cultures

La majorité des inocula servant à la production d'hydrogène sont issus de procédés de méthanisation. Ils contiennent donc une forte concentration de méthanogènes, d'où la nécessité de prétraitements avant utilisation.

Les méthanogènes sont des archaebactéries anaérobies strictes et non sporulantes possédant des vitesses spécifiques de croissance inférieures à celles des micro-organismes producteurs d'hydrogène, avec respectivement 0,02 et 1 h–1. Les différents prétraitements existants s'appuient donc sur ces caractéristiques pour éliminer les bactéries méthanogènes du milieu.

Les différents prétraitements possibles sont souvent basés sur la faculté de Clostridium à sporuler, comme l'utilisation d'un choc acide, basique, thermique, voire une aération (dans l'air – 24 h), gel/dégel. L'utilisation de composés chimiques inhibiteurs spécifiques des méthanogènes est également possible pour conditionner l'inoculum, comme le chloroforme (30 mg · L–1), le BES (bromoéthanesulfonate de 25 à 100 mM) ou encore l'acétylène à 1 %.

Le traitement thermique est la méthode la plus couramment utilisée, le traitement le plus classique étant de l'ordre de 90 oC durant 10 minutes. Un choc pH, soit inférieur à 4 ou supérieur à 10, est également utilisé pour enrichir de manière significative les cultures mixtes en producteurs d'hydrogène.

Une combinaison des méthodes de traitement permet d'optimiser la sélection des producteurs d'hydrogène au sein de cultures complexes. Une association d'un choc thermique suivi d'un choc pH est particulièrement recommandée.

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4.1.2 Composition du milieu de culture

De nombreuses références montrent l'importance de la composition du milieu pour les...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - LI (C.), FANG (H.H.P.) -   Fermentative hydrogen production from wastewater and solid wastes by mixed cultures.  -  Crit. Rev. Environ. Sci. Technol., 37, p. 1-39 (2007).

  • (2) - GUO (X.M.), TRABLY (É.), LATRILLE (É.) et al -   Hydrogen production from agricultural waste by dark fermentation : A review.  -  Int. J. Hydrogen Energy, 35, p. 10660-10673 (2010).

  • (3) - RODRIGUEZ (J.), KLEEREBEZEM (R.), LEMA (J.M.) et al -   Modeling product formation in anaerobic mixed culture fermentations.  -  Biotechnol. Bioeng., 93, p. 592-606 (2006).

  • (4) - HAWKES (F.), HUSSY (I.), KYAZZE (G.) et al -   Continuous dark fermentative hydrogen production by mesophilic microflora : principles and progress.  -  Int. J. Hydrogen Energy, 32, p. 172-184 (2007).

  • (5) - THAUER (R.K.), JUNGERMANN (K.), DECKER (K.) -   Energy conservation in chemotrophic anaerobic bacteria.  -  Bacteriol. Rev., 41, p. 100-180 (1977).

  • ...

1 Outils logiciels

Aquasim 2.0. Swiss Federal Institute for Environmental Science and Technology (EAWAG) http://www.eawag.ch/organisation/abteilungen/siam/software/aquasim/program_description

SIMBA (ifak system) : simulation d'installations de traitement des eaux usées incluant les digesteurs de boues activées http://www.ifak-system.com/products/simulation-software/wastewatersimulation/simba-6.html

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2 Sites Internet

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