A new microbiological way for CO2 reduction : from discovery to development

par Azariel Ruiz Valencia

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Laurence Soussan et de Delphine Paolucci-Jeanjean.

Le président du jury était Etienne Paul.

Le jury était composé de Laurence Soussan, Delphine Paolucci-Jeanjean, Etienne Paul, Alain Bergel, Stéphane HATTOU.

Les rapporteurs étaient Etienne Paul, Alain Bergel.

  • Titre traduit

    Une nouvelle voie microbiologique pour la réduction du CO2 : depuis la découverte du biocatalyseur jusqu'au développement du procédé


  • Résumé

    A l'Institut Européen des Membranes, un nouveau procédé microbiologique de réduction du CO2 en formiate a été découvert. Le premier objectif de ces travaux de thèse était de reproduire les essais de réduction du CO2 dans des conditions de référence, avec une nouvelle ampoule de biocatalyseur commandée chez le même fournisseur de souches que pour les essais préliminaires conduits au Laboratoire. Mais, ces tests n'ont pas permis de réitérer les résultats obtenus, c'est-à-dire la production de formiate. Une mutation de la souche a été suspectée et la souche qui avait été conservée lors des tests préliminaires a donc été mise en œuvre. Néanmoins, de nouveaux soucis de reproductibilité ont été mis en évidence. Une analyse biochimique a finalement révélé que la souche supposée être le catalyseur de la réduction du CO2 était en fait en consortium avec d’autres bactéries. En parallèle, une méthode fiable basée sur le marquage au 13C du CO2 et son suivi par RMN a été développée au Laboratoire pour suivre l'assimilation du 13CO2. Les différentes souches ont été isolées et testées séparément pour la réduction du CO2. L'analyse RMN a démontré que la contamination majoritaire, dont la présence était inattendue, est le vrai catalyseur de la réduction du 13CO2 en 13C-formiate.Le 13C-formiate a été ensuite quantifié par une méthode GC-MS mise au point au Laboratoire. Les effets de différents paramètres de réaction sur les performances de réaction ont alors été investigués. Ces essais ont permis notamment de mettre en évidence un système enzymatique intracellulaire qui pourrait catalyser la réduction du CO2 et d'identifier un possible donneur d'électrons. En effet, l'addition de Poly-3-HydroxyButyrate (PHB) dans la suspension bactérienne a permis d'améliorer significativement la productivité en formiate, ce qui laisse supposer que ce polymère de stockage de l'énergie pourrait être la source d’électrons utilisée pour la réduction du CO2.Néanmoins, ce stock intracellulaire de PHB, formé pendant l'étape de pré-culture, est fini et peut s'épuiser pendant la réaction. Ceci explique pourquoi la capacité du biocatalyseur à utiliser les électrons d’une cathode polarisée a été évaluée pour la réduction du CO2. Des essais préliminaires ont démontré la faisabilité de ce dispositif par l'établissement d'un courant CO2-dépendant dans un bio-électrolyseur. Des densités de courant entre 1.2 to 3.2 A·m-2 ont été obtenues, ce qui correspond à des flux volumétriques de CO2 réduit entre 12 to 30 mL CO2·(g cellule sèche)-1.j-1. Jusqu'à présent, ce nouveau bioprocédé a été opéré sur 25 jours. Par comparaison à la littérature, ce bioprocédé est particulièrement intéressant car (i) le flux de CO2 réduit est significatif et que (ii) aucun ajout de cofacteur, molécule organique, H2 ou photons au milieu de réaction n'est nécessaire.


  • Résumé

    At the European Institute of Membranes, a new microbiological process for CO2 reduction into formate was discovered. The first objective of this PhD work was to reproduce the CO2 reduction tests in reference conditions, with a new biocatalyst vial ordered to the same strain provider as for the prior trials at the Lab. However, these tests did not allow to reiterate the results obtained previously, i.e. formate production. A strain mutation was suspected and the strain that was stored during the preliminary tests was thus implemented. Nevertheless, new reproducibility problems were encountered. A biochemical analysis revealed finally that the strain assumed to catalyze the CO2 reduction was in consortium with other bacteria. In parallel, a reliable methodology based on CO2 labelling by 13C and NMR monitoring was developed at the Lab to follow 13CO2 assimilation. The different strains were isolated and tested separately regarding CO2 reduction. The NMR analysis demonstrated that the principal contamination, whose presence was unexpected, was the true biocatalyst of the 13CO2 reduction into 13C-formate.The 13C-formate was then quantified by a GC-MS method that was developed at the Lab. The effects of different reaction parameters on the reaction performances were thereafter investigated. These tests allowed notably to evidence an intracellular enzymatic system that could catalyze the CO2 reduction and to identify the possible electron donor. Indeed, addition of Poly-3-HydroxyButyrate (PHB) in the bacterial suspension enhanced significantly the formate production, suggesting that this energy storage polymer could be the electron source required for the CO2 reduction.Nevertheless, this intracellular PHB stock, formed during the bacteria culture step, is finite and can be exhausted during the reaction. This explains why the ability of the biocatalyst to recover electrons from a polarized cathode for CO2 reduction was assessed. Preliminary tests demonstrated the feasibility of this bio-electrochemical approach by the establishment of a CO2-dependant reduction current in a bio-electrolyzer. Current densities from 1.2 to 3.2 A·m-2 were obtained, which corresponds to volumetric flows of reduced CO2 ranging from 12 to 30 mL CO2·(g dry-cell)-1·d-1. Up to now, this new bioprocess was operated over 25 day. Regarding literature, this bioprocess is particularly interesting because (i) the volumetric flow of reduced CO2 is significant and (ii) no adding of cofactor, organic molecules, H2 or photons to the reaction medium is required.



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