PRODUCTION DE BIOHYDROGENE EN REACTEUR DISCONTINU

PRODUCTION DE BIOHYDROGENE EN REACTEUR DISCONTINU

MISE EN ŒUVRE

Afin de mesurer la production de biohydrogène, des réacteurs en mode discontinu (batch) pour ont été réalisés à 35°C, sans agitation. Les BHP ont été effectués en bouteilles de 600mL, avec un volume de travail de 200 mL. Une quantité de 5 g/L de glucose a été ajoutée à chaque bouteille ainsi que du tampon MES (2-[N-morpholino] éthane sulfonic acid) ou phosphate à 100 mM, en fonction du pH ciblé (cf Tableau II-1), ainsi qu’une solution d’oligoéléments (7.50 g L-1 FeCl2, H2O, 0.30 g L-1 H3BO3, H2O, 0.59 g L-1 MnSO4, H2O, 0.13 g L1 CoCl2, 6H2O, 0.35g L-1 ZnCl2, 0.13 g L-1 NiCl2,6H2O, 0.075 g L-1 CuCl2,2H2O, 0.13 g L-1 NaMoO4,2H2O) et de chlorure d’ammonium à 100 mM. L’inoculum correspondait à des sédiments prélevés dans les salins de Saint Martin à Gruissan. Il a été ajouté en fixant le rapport substrat/inoculum (gDCO substrat/ gMV) inoculum entre 10 et 15, tel que décrit dans le Tableau II-1. Le pH initial a été ajusté à l’aide d’une solution de NaOH 1N. Le ciel gazeux de chaque bouteille a été rincé à l’azote (N2) afin d’assurer des conditions d’anaérobiose stricte. Chaque condition a été testée en triplicats. Le volume de biogaz produit a été quantifié par mesure de la pression de l’espace de tête à l’aide d’un manomètre (Mano 2000, Leo 2 Keller). Le volume de biogaz a été déduit de la loi des gaz parfaits ; La composition du biogaz (O2, CO2, CH4, H2 and N2) a été analysée à l’aide d’un chromatographe associé à un catharomètre (Clarus 580, Perkin Elmer), selon un protocole décrit dans le paragraphe II.3.4 en page 91.

ANALYSE DES DONNEES DE PRODUCTION D’HYDROGENE 

Dans les cultures en batch réalisées pour la production d’hydrogène, les courbes de suivi de l’hydrogène ont présenté, en phase de production d’hydrogène, une allure de courbe exponentielle de croissance. L’utilisation d’un modèle a permis de déterminer des paramètres cinétiques de la production d’hydrogène. Le type de modèle le plus rencontré est le modèle de Gompertz modifié qui s’applique principalement dans le cas des cultures pures en batch (Wang and Wan, 2009c; Rafrafi, 2010). Par extension, ce modèle a aussi été utilisé pour les cultures mixtes. L’intérêt de cette courbe est qu’elle fournit une méthode permettant la comparaison des productions par rapport aux données de la littérature. La courbe de Gompertz est décrite par l’équation suivante : H2(t) = H2max.exp[-exp(Vmax.exp(1)/ H2max (λ-t)+1)] Avec : H2 (t) : hydrogène cumulé en fonction du temps ; H2max : quantité maximale d’hydrogène produite ; Vmax : vitesse de production maximale d’hydrogène ; λ : temps de latence L’ajustement de Gompertz a été réalisé sous Matlab® suivant une méthode de régression non linéaire par minimisation de l’erreur des moindres carrés..

ELECTROLYSE MICROBIENNE

REACTEURS ELECTROCHIMIQUES

Cellule à trois électrodes

 Le système utilisé pour l’étude du biofilm était un système à trois électrodes mettant en jeu une électrode de travail, support du biofilm, une électrode de référence, permettant d’appliquer un potentiel à l’électrode de travail et une contre-électrode permettant de mesurer le courant généré par le biofilm sur l’électrode de travail. Ces essais dits en « demi-cellule » ont été réalisés dans des réacteurs de 700 mL surmontés d’un couvercle permettant de maintenir 1 à 3 électrodes de travail, une électrode de référence (Ag/AgCl ou ECS), une contre-électrode (grille de platine). Le réacteur était clos hermétiquement grâce à un joint en silicone et une bague à sertir en acier. Le réacteur est maintenu à 37°C grâce à un bain marie maintenu à température avec un thermostat (Polystat). Le milieu est homogénéisé jusqu’à l’adhésion sur l’électrode des espèces électroactives par un barreau aimanté en rotation à 250 rpm. 

N-Stat

 Réacteur à plusieurs électrodes de travail Le dispositif NStat (Bio-Logic SA) permet de placer dans un même bioréacteur plusieurs électrodes de travail pour le développement de biofilms électroactifs. Ces électrodes ont été construites par des plaques de graphite d’une surface totale de 13 cm² accrochées sur des tiges de titane (cf. II.1.2.2.1). Le dispositif était complété par une contre électrode de platine et une électrode de référence qui permettait le maintien par le potentiostat (VMP3 BioLogic ) Science Instruments) du potentiel appliqué (+0,200 V vs ECS). La contre électrode constituait la cathode du système où se déroule la réduction des protons en dihydrogène. Une sortie gaz et une sortie liquide ont été mises en place pour assurer l’échantillonnage dans les deux phases. La grille de platine utilisée avec le N-Stat présente la même maille qu’en demi-cellule mais une taille plus grande, de 5×5 cm afin d’assurer une surface non-limitante par rapport à l’électrode de travail en graphite.

MATERIEL ELECTROCHIMIQUE

Electrodes

 Les électrodes de travail en graphite étaient des plaques de dimension 25 mm x 25 mm x 2 mm (Goodfellow) connectées électriquement par une tige de titane (diamètre 2 mm, Goodfellow) filetée et vissée dans l’électrode. Ces électrodes étaient préalablement nettoyées à l’eau et au papier de verre P800, puis rincées à l’éthanol et conservées dans une solution d’éthanol (50/50 v/v). Deux types d’électrodes de référence ont été utilisés :  une électrode au calomel saturé (ECS, Hg/Hg2Cl2/Cl)  une électrode au chlorure d’argent : chlorure d’argent préparé à partir d’un fil d’argent (diamètre 1.5 mm, Goodfellow) plongé successivement dans une solution d’acide nitrique à 65 % puis dans une solution saturée de KCl. Les électrodes de référence ont été conservées dans une solution de KCl saturée. Les contre-électrodes correspondaient à des grilles de platine/iridium (90%/10%) (Heraeus) de diamètre de fil 0.25 mm et de largeur de maille 0.75 mm et de dimension totale 25 mm x 25 mm pour les réacteurs à 3 électrodes et 50 mm x50 mm pour les réacteurs N-Stat. Elles ont été préalablement traitées sous la flamme d’un bec Bunsen pendant une minute avant d’être utilisées. 

Chrono-ampérométrie 

La chronoampérométrie consiste à imposer un potentiel constant à l’électrode de travail et à enregistrer la réponse en production de courant au cours du temps. Les courants enregistrés sont divisés par la surface de l’électrode de travail et sont donc exprimés en densité de courant j (A/m2 ). L’ensemble des mesures électrochimiques a été réalisé avec un multipotentiostat (VMP, Bio-Logic S.A., France) piloté par le logiciel EC- Lab. Le potentiel appliqué était de +0,2 V vs Ag/AgCl ou ECS. Le courant était enregistré toutes les 300 s. La durée totale d’une chronoampérométrie était d’environ 15 jours. Nota : Plusieurs électrodes de travail placées dans un même milieu peuvent être polarisées indépendamment via une unique électrode de référence et une unique contreélectrode par l’utilisation du dispositif N-Stat (Bio-Logic SA) (cf. II.1.2.1.2).