De la modélisation multiphysique des biofilms anodiques pour le développement des systèmes bioélectrochimiques

Anodic biofilm multiphysics modelling for bioelectrochemical systems development

• Auteur / Autrice : Pierre Belleville
• Direction : Gérard Merlin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Doctorat Energétique et Génie des Procédés
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 03/04/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations (Chambéry ; 2007-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optimisation de la Conception et Ingénierie de l'Environnement
• Jury : Président / Présidente : Regine Basseguy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Merlin, Wafa Achouak, Jonathan Deseure, Julien Ramousse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Bernet, Timothy Vogel

Mots clés

Mots clés libres

Bioanode

Multi-physique

Simulation

Microbial fuel cell

Multiphysics

Simulation

Résumé

Les systèmes bioélectrochimiques (BES), s’appuyant sur les interactions entre microorganismes et électrodes, constituent une technologie prometteuse pour la valorisation des effluents résiduaires. Depuis près de 20 ans, la diversité des applications imaginées témoigne de la vivacité et des perspectives de ce champ scientifique au croisement de plusieurs disciplines. Toutefois, de nombreux verrous subsistent pour envisager son développement à grande échelle. Ce travail de thèse propose deux axes de réflexion pour valoriser l’utilisation des biofilms anodiques. Le couplage d’un électrolyseur et d’une pile à combustible microbienne (MFC) via l’utilisation d’un médiateur RedOx offre des perspectives intéressantes pour s’affranchir, d’une part, des limites de l’électrolyse de l’eau pour la production d’hydrogène et, d’autre part, des principaux verrous des BES pour la valorisation énergétique directe. La preuve de concept proposée dans ce travail permet de rendre compte d’un cycle de médiateur complet en effectuant une électrolyse à bas potentiel (1V) pour la production d’hydrogène et en délivrant une puissance de 0.4W.m2 dans la MFC alimentée au glucose. La démarche suivie pour la construction, le développement et l’utilisation d’un modèle mécanistique multi-physiques est présentée. La description complète des mécanismes intervenant dans les biofilms anodiques permet d’établir les lois mathématiques et les méthodes de résolution pour décrire le système. Dans un premier temps, une modélisation 1D d’un biofilm électroactif nourri à l’acétate est présentée. Le choix des paramètres imposés et des hypothèses sur le mode de transfert extracellulaire est discuté. Le modèle permet de rendre compte des hétérogénéités locales du métabolisme observées expérimentalement en s’appuyant sur les propriétés de la fraction inactive (conductivité, densité) et de l’influence du pH. Dans un second temps, une modélisation 2D compilant le modèle de biofilm électroactif 1D, les voies métaboliques de dégradation du glucose et l’écoulement de l’effluent dans le volume externe, est présentée. Ce modèle s’appuie sur un ensemble de paramètres intrinsèques et peut simuler l’influence des conditions opératoires sur la ségrégation interespèces et les performances du biofilm anodique. Le développement d’un protocole expérimental s’appuyant sur une série de piles à combustibles microbienne alimentées en cascade propose une démarche pour caractériser l’évolution de la nature de l’effluent, de la composition de la biomasse et des taux de conversion en vue de calibrer le modèle. Enfin, une méthode d’analyse multi-critères et multi-objectifs est présentée comme une perspective future pour déterminer les conditions optimales de fonctionnement des systèmes.

Bioelectrochemical systems (BES), based on interactions between microorganisms and electrodes, constitute a promising process for wastewater recovery. For nearly 20 years, the diversity of BES applications has testified to the vivacity and outlooks of this scientific field at the crossroads of several disciplines. However, many bottlenecks must be overcome for its large-scale development and niche application has yet to be found. In this scope, this pHD thesis proposes two approachs to promote the use of anodic biofilms and enhance performances. Electrolyser and microbial fuel cell (MFC) coupling through a RedOx mediator offers interesting prospects for overcoming,on one side,the limits of water electrolysis for hydrogen production and, on the other side, bottlenecks of BES for direct energy recovery. The proof of concept proposed in this work show a complete mediator cycle. This first non-optimized system performs a low-potential electrolysis (1V) for hydrogen production and delivers a power of 0.4W. m2 in the glucose-fed MFC. The approach followed for building, development and use of a mechanical multi-physical modelis presented. Characterization of the mechanisms involved in anodic biofilms provides a framework of mathematical laws and resolution methods to describe and simulate the system. First of all,a 1D modeling of an acetate-fed electroactive biofilm is presented. The choice of imposed parameters and hypotheses on the method of extracellular electron transfer is discussed. The model can show the local heterogeneity of metabolism observed experimentally by relying on the inactive fraction properties (conductivity, density) and pH influence. In a second step, a 2D model integrating electroactive biofilm 1D model, glucose degradation metabolism and effluent flow in the external volume, is presented. This model is based on a set of given intrinsic parameters and can simulate the influence of operating conditions on interspecies segregation and anodic biofilm performances. The development of an experimental protocol based on cascade fed microbial fuel cells provides a framework to characterize the evolution of effluent composition, biomass segregation and conversion rates in order to calibrate the model. Finally, a multi-objective and multi-criteria analysis method is presented as a future outlook to find optimal design and operating conditions in BES.