Coordinateur: John C. Willison Partenaires: CEA Grenoble / CNRS-LEPMI Grenoble / IRD Marseille / BRGM Orléans / ARD Reims Contexte et Objectifs Combustible non carboné et propre, hautement réactif et à forte densité énergétique, l'hydrogène est considéré comme le vecteur énergétique du futur. Sa conversion directe en électricité, via les piles à combustible, constitue un atout, dans la mesure où le rendement énergétique de ces piles est élevé (80%) avec l’eau pour seul rejet. Sur le plan économique, l’hydrogène représente un marché qui croît de 10 % par an au niveau mondial et qui devrait représenter 8 à 10% de l'énergie mondiale en 2025. Aujourd’hui, l’essentiel de l’hydrogène vendu sur le marché est produit industriellement avec des procédés physico-chimiques très énergivores (vaporeformage du méthane, oxydation partielle de combustible fossile ou électrolyse de l'eau). En revanche, les voies de production biologiques offrent des solutions technologiques potentiellement moins coûteuses en termes de bilan énergétique et plus respectueuses pour l’environnement. Parmi ces solutions, les bioprocédés associant fermentation à haute température (80°C) et photofermentation présentent comme avantages, non seulement de produire de l’hydrogène facilement « purifiable » à partir du biogaz produit, mais aussi de dépolluer un effluent riche en hydrates de carbone tout en ne produisant que très peu de déchets solides. Le projet HYCOFOL_BV a pour objectif de proposer un bioprocédé de production d’hydrogène à partir de paille de blé, un sous-produit d’origine agricole. C6H12O6 + 6H2O -------> 6CO2 + 12 H2 Minéralization du glucose (procédé couplé) C6H12O6 + 2H2O -------> 2CH3COOH + 2CO2 + 4H2 Fermentation hyperthermophile 2CH3COOH + 4H2O -------> 4CO2 + 8H2 Photofermentation Rendement attendu: > 75% pour le procédé globale (> 9 mol H2/mol glucose) Méthodologie et Résultats Le projet s’articule autour de trois approches : recherche fondamentale (protéomique et ingénierie métabolique), génie des procédés (bioréacteurs et plans d’expériences) et microbiologie moléculaire (FISH, SSCP). 1 Les premiers objectifs (livrables à T0+6mois et jalon à T0+12mois) ont été atteints: caractérisation physico-chimique de la paille de blé prétraitée (ARD) ; définition d’un milieu synthétique représentatif du substrat industriel pour l’optimisation de la fermentation à haute température (IRD) ; caractérisation microbiologique de la paille de blé hydrolysée ou micronisée (BRGM); choix de la meilleure souche hyperthermophile (IRD). Un quatrième livrable – mise au point de sondes spécifiques (BRGM) - est en cours de réalisation. 2Thermotoga maritima a été sélectionné, parmi les 17 espèces hyperthermophiles testées, pour des études d’optimisation en bioréacteur. Néanmoins, deux autres espèces, T. naphtophila et T. neopolitana, ont montré des taux de production d’H2 intéressants à partir de la paille de blé micronisée. 3La méthode des plans d’expériences est utilisée pour optimiser la photoproduction d’H2 à partir de l’acétate en fonction de différents paramètres: concentration en substrat, Fe, Mo, intensité lumineuse et la nature du tampon. Deux plateformes expérimentales ont été ont été construites qui permettent la réalisation simultanée de 45 expériences. Les plans d’expériences seront réalisées sur la souche Rhodobacter capsulatus B10, ainsi que sur des mutants dérivés de cette souche et sur d’autres espèces de bactéries photosynthétiques. CONTACT [email protected] 4 2L’utilisation de l’acétate comme substrat pour la photoproduction d’H2 a été peu étudiée par rapport à d’autres substrat, comme le lactate. Une étude de protéomique a été entamée afin d’identifier les protéines qui sont synthétisées de manière différente (1) dans des cellules cultivées sur acétate par rapport au lactate; (2) dans le mutant IR3, dérivé de la souche B10, qui est surproducteur d’H2 mais chez lequel la mutation n’a pas encore été identifiée. Conclusions et Perspectives Les premiers résultats indiquent que, dans certaines conditions (non encore optimisées) la bactérie hyperthermophile, Thermotoga maritima, ainsi que la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus, peuvent convertir leur substrats respectifs en H2 avec des efficacités proches de 70%. Les analyses microbiologiques de la paille de blé indiquent l’absence de bactéries susceptibles de proliférer dans ou de traverser l’étage hyperthermophile. Cependant, les outils moléculaires sont en place pour pouvoir suivre l’état microbiologique des deux étages lors des expériences d’optimisation. La deuxième partie du projet concernera l’optimisation des étages de fermentation à haute température et de photofermentation. L’optimisation sera réalisée, d’abord sur du milieu synthétique, et ensuite sur le substrat industriel (fermentation hyper thermophile) et sur l’effluent de la fermentation à haute température (photofermentation) en tenant compte des contraintes posées par la composition du substrat initial et la composition de l’effluent fourni par la première étape. Outre le choix des souches et l’optimisation des paramètres physico-chimiques, l’étude de la photoconversion de l’acétate en H2 permettra l’amélioration de la souche photosynthétique par ingénierie métabolique. A plus long terme, les deux étages seront intégrés dans un procédé couplé pour la production biologique d’hydrogène à partir d’un déchet agricole.