Production de biohydrogène par électro-catalyse microbienne

par Raphaël Rousseau

Thèse de doctorat en Génie des procédés et de l’environnement

Sous la direction de Alain Bergel et de Marie-Line Delia-Dupuy.


  • Résumé

    La cellule d’électrolyse microbienne (CEM) permet la conversion de la biomasse en dihydrogène via un apport théorique en énergie électrique 10 fois moindre que celui de l’électrolyse de l’eau. Un tel procédé fonctionne via la technologie des bioanodes, qui permet la catalyse de l’oxydation de la biomasse en CO2 par l’intermédiaire d’un biofilm électro-actif. Les travaux exposés dans ce manuscrit de thèse ont pour but l’optimisation des performances de la bioanode, la compréhension des mécanismes de catalyse et la réalisation d’un prototype à échelle laboratoire. L’optimisation par l’étude de paramètres opératoires en montage 3 électrodes a montré que l’utilisation de sédiments de salins comme source de micro-organismes avec électrode en feutre de carbone polarisée à + 0,1 V / ECS à une température de 40°C permet la formation de bioanodes capables de débiter jusqu’à 85 A.m-2 pour une conductivité de 10,4 S.m-1. A 30°C, le pyroséquençage ADN a mis en lumière l’émergence des genres bactériens Desulfuromonas et Marinobacter. La conception et l’exploitation d’un modèle de voltammétrie cyclique a montré que le transport des électrons au sein du biofilm était environ 100 fois plus lent que le métabolisme bactérien. L’utilisation de la spectroscopie d’impédance électrochimique montre que la résistance au transfert de charge à l’interface électrode/solution baisse de 24 kΩ.cm2 à 64 Ω.cm2 lors de la formation du biofilm. Un taux de production maximum de 2,85 LH2.L-1.j-1 ainsi qu’une durée de vie de plus de 50 jours du procédé ont été obtenus lors de la conduite d’un prototype laboratoire de CEM.

  • Titre traduit

    Biohydrogen production by microbial electro-catalysis


  • Résumé

    Microbial electrolysis cell (MEC) is a recent and promising bioelectrochemical process that converts biomass onto hydrogen thanks to an amount of electrical energy 10 times smaller than for water electrolysis. The operation of the process is making possible by the bioanode technology which catalyses the biomass combustion onto CO2 through an electro-active biofilm. The purpose of the present work consists on the optimisation of the bioanode, the understanding of the catalysis mechanism and a scaling-up by the designing of a MEC prototype. Using a three-electrode device and sediment of salt marshes as inoculum, the study of the experimental parameters demonstrated that carbon felt poised at + 0.1 V /ECS at 40°C led to the formation of bioanode able to generate up to 85 A.m-2 at a solution conductivity of 10,4 S.m-1. For a temperature of 30°C, DNA pyrosequencing denoted the presence of the two bacterial genera Desulfuromonas and Marinobacter. The development and the exploitation of a cyclic voltammetric model showed that electron transfer within the biofilm ran almost 100 times slower than bacterial metabolism. Electrochemical impedance spectroscopy during biofilm formation revealed a decreasing of the charge transfer resistance at the electrode/solution interface from 24 kΩ.cm2 to 64 Ω.cm2. Designing and first experiments with a 6L CEM prototype led to a hydrogen production rate of 2.85 LH2.L-1.j-1 and a process life time of up to 50 days. Those performances were achieved in a reproducible way.


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