Projet ANR-10-BIOE-0005 – HYCOFOL_BV : Production d'HYdrogène par COuplage de procédés de Fermentation à l'Obscurité et à la Lumière appliqué à la Biomasse Végétale
Programme : Bioénergies (Bio-E)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur John WILLISON (COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES)
Partenaires : Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux; Bureau de recherches géologiques et minières; Laboratoire d'Électrochimie et de Physico-Chimie des Matériaux et des Interfaces; Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux; Biotechnologie Microbienne des Environnements Chauds
Montant : 775468.0 euros
Date de début : 2010
Durée : 36 mois
Résumé : Bioproduction d’hydrogène à partir d’un déchet agricole, la paille de bléLa paille de blé est produite à raison de 18,5 millions de tonnes par an en France. Sa conversion en biohydrogène, un vecteur énergétique propre, permettrait de valoriser ce déchet (source d’énergie renouvelable) et représenterait une alternative au bioéthanol.
Proposer un procédé biologique pour la production d’H2 à partir de la biomasse végétaleL'objectif de ce projet est de proposer un bioprocédé de production d’hydrogène à partir de paille de blé, un déchet agricole. Après un traitement enzymatique de la paille, un effluent riche en sucres C5 (xylose) et C6 (glucose) est généré. Cet effluent est ensuite transformé en H2 suivant 2 étapes de fermentation. La première, effectuée à haute température (70-80°C), est réalisée par des bactéries hyperthermophiles de l’ordre des Thermotogales, fermentant les sucres C5 et C6 en acétate, CO2 et H2. La seconde étape est réalisée à la lumière par photofermentation de l’acétate en H2 et CO2, avec des bactéries photohétérotrophes du genre Rhodobacter. Le couplage de ces deux procédés de fermentation pourrait conduire à une conversion complète des sucres en H2, avec un rendement théorique de 12 mol H2 par mol de glucose. Chaque étape du procédé sera optimisée par rapport à l’efficacité de conversion des composés organiques en H2. De plus, la stabilité microbiologique sera contrôlée au cours de chaque étape de la fermentation. L’ensemble des données obtenues permettra, à terme, d’intégrer les deux étapes dans un procédé couplé qui servira à produire de l’hydrogène.
Microbiologie fondamentale et moléculaire, bioréacteur à haute température, réacteur photosynthétique, génie des procédés, plan d'expériences.Le choix de la meilleure souche pour la fermentation à haute température s’effectue par criblage d’une collection de bactéries hyperthermophiles disponibles à l’IRD. Elles sont testées pour leur capacité à produire de l’H2 à partir de la paille de blé prétraitée (fournie par ARD). Le cœur de la plateforme hyperthermophile consiste en un réacteur de 5L régulé et automatisé.La meilleure souche bactérienne photosynthétique pour la photofermentation est choisie parmi des espèces issues de la collection allemande DSMZ et d'une collection de mutants isolés au CEA. L’optimisation de la photoproduction d’H2 à partir de l’acétate se fait au CNRS selon la méthodologie des plans d’expériences (DOE) et conduite au sein de plate-formes dédiés à la culture photosynthétique. Le suivi microbiologique des étapes de fermentation, effectué au BRGM, est basé sur un typage moléculaire du marqueur universel des bactéries, l’ARNr 16S, soit par l’analyse de la diversité du gène correspondant, soit par le marquage des ARNr 16S (hybridation) des cellules bactériennes avec des sondes spécifiques fluorescentes. Ce suivi est possible grâce à l'utilisation d'un logiciel de traitement d’images, de la validation des sondes et de l'optimisation d'extraction des cellules à partir de la matrice paille de blé puis de l’hybridation des sondes.
Résumé de la soumission : Le projet de recherche fondamentale intitulé HYCOFOL_BV (Production d'Hydrogène par COuplage de procédés de Fermentation à l'Obscurité et à la Lumière appliqué à la Biomasse Végétale) regroupe 4 laboratoires publics (CEA, CNRS, IRD, BRGM) et un industriel (ARD). Il a pour objet de proposer un bioprocédé de production d’hydrogène à partir de paille de blé, un sous-produit d’origine agricole. Le traitement de cette biomasse libère un effluent riche en sucres C5 et C6, qui peut être transformé biologiquement en H2 par fermentation. Une première étape de fermentation à haute température (70-80°C) sera réalisée avec des bactéries hyperthermophiles de l'ordre des Thermotogales, qui sont capables de fermenter les sucres C5 et C6 en acétate, CO2 et H2. La seconde étape de photofermentation de l’acétate sera réalisée avec des bactéries photohétérotrophes mésophiles du genre Rhodobacter. Le couplage des deux procédés pourrait conduire à une conversion complète de sucres en H2, avec un rendement théorique maximal de 12 mol H2 par mol de glucose et 10 mol H2 par mol de pentose (xylose).Dans un premier temps,  le substrat industriel (paille de blé), prétraité par le partenaire industriel selon une procédure mise au point dans le cadre du projet SPPECABBE (ANR PNR-B 2005-2008), sera caractérisé du point de vue physico-chimique et microbiologique. Une collection de souches hyperthermophiles sera criblée pour  sa capacité de production d'hydrogène à partir de paille brute ou traitée conduisant à la libération  de cellulose et d'hémicellulose. La fermentation à haute température (80°C) sera, ensuite, étudiéé avec la (ou les) meilleure(s) souche(s), d'abord avec un milieu synthétique basé sur la composition du substrat industriel, puis avec le substrat industriel lui-même. Les paramètres de fermentation et de culture seront déterminés en fonction du rendement de conversion des différents sucres en H2, mais aussi en tenant compte de la compatibilité avec l'étage de photofermentation et de la stabilité microbiologique. En fait, le devenir des bactéries hyperthermophiles, ainsi que la population microbienne se trouvant dans le substrat initial, sera suivi tout au long du procédé en utilisant des techniques moléculaires d'écologie microbienne.Les bactéries photosynthétiques sont  en théorie capables de convertir complètement des acides organiques, comme l’acétate, en H2 et CO2.  Néanmoins, en pratique, les rendements sont souvent inférieurs et dépendent de la souche et des conditons opératoires. Dans le cadre de ce projet, nous allons utiliser des approches de génétique moléculaire, de biochimie et de  génie de procédés, afin d’optimiser la photoproduction d'H2 à partir d'acétate. Des souches de Rhodobacter capsulatus surproductrices d'H2 isolées au laboratoire seront étudiées pour leur capacité de dégrader l'acétate en H2 et les étapes limitantes seront identifiées. Ensuite, l'efficacité de photofermentation sera déterminée dans du jus de milieu synthétique après fermentation à haute température, puis dans du jus de substrat industriel. La population microbienne sera suivie dans l'étage de photofermentation afin de s'assurer de la stabilité microbiologique du système. L'effet de la configuration du photobioréacteur sur l'efficacité de production d'H2 sera également étudié.L'interdisciplinarité des partenaires impliqués dans le projet, et leurs compétences dans les domaines de la fermentation à haute température, de la photofermentation et de l'écologie moléculaire, leur permettront de résoudre d'éventuels problèmes, comme l'inhibition de l'étape de photofermentation par les jus issus de fermentation à haute température ou l'interférence par des microorganismes contaminants. Les résultats obtenus seront utilisés pour évaluer la faisabilité d'un procédé couplé (fermentation à haute température/photofermentation) pour la tranformation d'une biomasse végétale (la paille de blé) en H2.
Résultats : La valorisation énergétique en hydrogène des sucres (glucose et xylose) contenus dans la paille de blé prétraitée est effectuée, avec un rendement de conversion de 75 %, lors d'un procédé séquentiel associant un traitement bactérien hyperthermophile (Thermotoga maritima) et un traitement par des bactéries photosynthétiques (Rhodobacter capsulatus et R. sphaeroides). Aucune contamination microbienne de la paille de blé traitée n'est apportée au procédé, sauf dans le cas de la paille de blé micronisée puis hydrolysée enzymatiquement, ce qui nécessitera une stérilisation préalable avant l’étape de fermentation.
Perspectives : Les résultats obtenus sont assez probants pour justifier la construction d’un réacteur pilote pré-industriel, inexistant à l'heure actuelle, et pour démontrer la faisabilité d’un procédé permettant à la fois la valorisation d’un déchet agricole renouvelable, l’utilisation de l’énergie solaire et la production d’hydrogène de haute pureté. Le procédé couplera une étape de fermentation hyperthermophile à une étape de photofermentation et aura un ren-dement de conversion des sucres en H2 proche de 75%. Cette perspective ne peut se conce-voir sans continuation des études fondamentales.
Publications et brevets : Les partenaires ont publié 2 articles dans des journaux scientifiques et 4 articles sont en cours de préparation. Ils ont également présenté 10 communications (5 conférences invités et 5 posters) à des congrès internationaux, notamment au congrès Bioénergie du CEA (Bioenergy DSV/CEA Conference) à Paris en février 2012, au WHEC 2012 (19th World Hydrogen Energy Conference) à Toronto en juin 2012, et au congrès BioH2 à Montréal en août 2013.