Développement d'un procédé de production d'hydrogène photofermentaire à partir de lactosérum

Conception production and application of a photosynthetic process for the hydrogen production from whey.

• Auteur / Autrice : Patricia Castillo Moreno
• Direction : Jean-Pierre Magnin, Juan Carlos Serrato
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Soutenance le 17/05/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec Universidad nacional de Colombia
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (Grenoble ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Pedro Filipe De Brito Brandao
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yann Bultel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ruth, Yolanda Ruiz Pardo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrogène

Bioréacteurs

Lactosérum

Mots clés libres

Lactosérum

Bioreacteur

Hydrogene

Photofermentation

Cheese whey

Bioreactor

Hydrogen

Photofermentation

Résumé

L'hydrogène est une source d'énergie précieuse en tant que source d'énergie propre et que matière première pour des innombrables industries.Les procédés biologiques de production d'hydrogène gagnent en importance en raison de leurs avantages opérationnelles et de leur polyvalence dans les substrats utilisés (y compris les eaux usées).Dans cette thèse doctoral, on a développé une méthodologie photo-fermentative de production d'hydrogène en utilisant du lactosérum en tant que substrat pour la bactérie Rhodobacter capsulatus IR3::LacZ et B10::LacZ.Ce projet a été réalisé en trois étapes, exposées dans les différents chapitres.Dans la première étape on a identifié les facteurs pertinents pour la production de l'hydrogène avec du sérum synthétique en utilisant la méthodologie de plan d'expériences.Les résultats de cet étape on a obtenu quatre modèles statistiques et on a choisi la souche IR3::LacZ pour les expériences avec du lactosérum industriel.Le rendement volumétrique maximal et le rendement produit / substrat Y P/S obtenus pour la première étape ont été de 64 ml h-1L-1 et 2,08 mol H2 mol-1 C (“C” représente la source de carbone dans ce cas lactose et lactate) pour la solution amortissant le phosphate et 43.01 ml h-1L-1 y 2.52 mol H2 mol-1 C pour la solution Kolthoff.Dans la deuxième étape, on a évalué la production d'hydrogène avec du lactosérum industriel. On a appliqué un pré-traitement de trois étapes avant d'utiliser le lactosérum comme substrat : réduction du contenu gras, déprotéinisation et stérilisation. On a obtenu un modèle validé qui décrit la production d'hydrogène seulement pour la solution amortissant de phosphate. Le rendement volumétrique maximal et le YP/S ont été de 45.93 ml h-1L-1 et de 2.29 mol H2 mol-1 C respectivement. On a déterminé que l'addition d'une étape d’homo-fermentation au processus de prétraitement es avantageuse au rendement du processus. On a obtenu une productivité volumétrique de 69.71 ml h-1L-1 et de YP/S de 2.96 mol H2 mol-1 CLa troisième étape a été la mise à l'échelle des expériences à réacteurs de 1,5 L pour sérum synthétique et de 1L pour serum industriel. On a décelé de la contamination dû à la présence d'un processus de fermentation, lequel a généré une haute production de biogas composé exclusivement par H2 y CO2 ce dernier dans une concentration non superieur à 30% (v/v).Pour ces raisons, on a conclu que conclu que le processus de production intégré, en couplant la fermentation obscure et la photo-fermentation est une option avec un énorme potentiel pour l'utilisation de lactosérum comme substrat dans la production d'hydrogène.

Hydrogen is a valuable gas use as a clean energy source and feedstock for some industries. Biological hydrogen production processes are gaining importance due to their operational conditions and versatility in the substrates (including wastewater). A hydrogen production photo fermentative methodology was developed using cheese whey as a substrate for the bacteria Rhodobacter capsulatus strain IR3::LacZ and B10::LacZ . The project was carried out in three stages.The purpose of the first stage is to identify the relevant factors to produce hydrogen for a synthetic whey medium in a photofermentation process, using the Design of Experiments methodology. The products of this stage are four statistical models, obtained for each strain and buffer solution studied. The strain IR3::LacZ was selected for the experiments with industrial whey as substrate. The maximum volumetric yield and the product/substrate yield YP/S were 64 ml h-1L-1 and 2.08 mol H2 mol-1 C (C is the carbon source in this case lactose and lactate) and 43.01 ml h-1L-1 and 2.52 mol H2 mol-1 C for phosphate buffer and Kolthoff buffer, respectively.In the second stage the production of hydrogen with industrial whey was evaluated. A three-step pre-treatment was applied before using industrial cheese whey as substrate: fat reduction, deproteinization and sterilization. A validate statistical model describing hydrogen production was only obtained for phosphate buffer. The maximum volumetric yield and the product/substrate yield YP/S were 45.93 ml h-1L-1 and 2.29 mol H2 mol-1 C respectively. The addition of an homofermentation to the pretreatment improved the production yield, in this case a volumetric productivity of 69.71 ml h-1L-1 and a YP/S of 2.96 mol H2 mol-1 C were obtained.The third stage was the scale-up to 1.5 and 1 reactor L for synthetic whey and 1L for synthetic and industrial whey respectively. A fermentative process appeared due to a bacterial contamination, leading to a high biogas production. Biogas was exclusively composed of H2 and CO2 the last in a concentration not exceeding 30% (v/v). For this reason, it was concluded that the integrated production process coupling dark and photo fermentations) is an option with great potential for the use of whey as substrate in the production of hydrogen.