UMR CNRS 6144
Génie des Procédés Environnement et Agroalimentaire
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GEnie des Procédés
Environnement - Agroalimentaire
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Etude, modélisation et optimisation de la production autotrophe d’hydrogène par Chlamydomonas reinhardtii en photobioréacteur

Introduction/contexte

Mots-clés : Hydrogène, Chlamydomonas reinhardtii, photobioréacteur, hypoxie, fermentation

Cette thèse s’effectue dans le cadre du programme ANR-Bioénergies « AlgoH2 » (budget alloué de 1245 k€) dont les partenaires sont :

·         Le CEA de Cadarache

·         Le BIP de Marseille

·         Le laboratoire de Génie des Procédés-Environnement-Agroalimentaire (GEPEA) de l’Université de Nantes à Saint-Nazaire

·         Le CEA de Saclay

·         Le Laboratoire de Génie Chimique et Biochimique (LGCB) de l’Université Blaise Pascal de Clermond-Ferrand

 

Intoduction / Contexte

Le développement des énergies renouvelables est devenu une priorité pour préserver le monde dans lequel nous vivons. Mis à part les ressources renouvelables déjà bien implantées que sont le photovoltaïque et l’éolien, la biomasse apparait comme une source de biocarburants prometteuse. Ces biocarburants sont pour l’instant séparés en 3 parties :

·         Les biocarburants de 1ère génération issus de produits alimentaires (betteraves, colza, etc.)

·         Les biocarburants de 2ème génération issus de la biomasse ligno-cellulosique

·         Les biocarburants de 3ème génération issus des microorganismes

C’est dans cette dernière génération que s’inscrit la production de bio-hydrogène par les microorganismes photosynthétiques.

L’hydrogène en tant que vecteur énergétique, utilisé dans une pile à combustible, a l’avantage de produire de l’électricité en ne dégageant que de l’eau, ce qui en fait une ressource totalement propre. La production d’hydrogène par les microalgues est un phénomène particulier car elle n’est possible que dans un milieu dépourvu d’oxygène, l’enzyme responsable de la réduction des protons en dihydrogène étant inhibée par celui-ci. Ceci demande donc des conditions de culture bien spécifiques. Un protocole dédié à la production d’hydrogène en photobioréacteur par la microalgue Chlamydomonas reinhardtii a été mis en place au laboratoire GEPEA lors de la thèse de B. Degrenne (2010), appelé protocole d’hypoxie. Alors que les protocoles déjà existants sont basés sur des carences minérales entraînant une dégradation de l’appareil photosynthétique, ce nouveau protocole est uniquement basé sur un contrôle de la lumière permettant de garder l’intégrité de la cellule. En effet, en travaillant sur la part de la zone éclairée (siège de la photosynthèse) et celle de la zone sombre (siège de la respiration), il est possible d’atteindre un bilan global nul en oxygène. N’ayant été testé pour l’instant qu’en mode discontinu, ce protocole permet d’obtenir de l’hydrogène pendant une dizaine de jours, avec un pic élevé de production, restant inexpliqué, au bout de 4 jours.

Objectif du projet

Le 1er objectif de cette thèse est le passage en continu de la production d’hydrogène en mettant en  place un procédé à deux étages. Un premier photobioréacteur sera dédié à la croissance de la microalgue jusqu’à un état stabilisé en limitation physique stricte. Cette culture sera transférée en continu dans un 2nd photobioréacteur dédié à la production d’hydrogène.

            L’étude du pic de production d’hydrogène sera également abordée, afin de trouver les causes de cette modification brutale. Pour cela il sera nécessaire de mettre en place une analyse des sous-produits fermentaires par HPLC, afin de voir la part de la fermentation durant l’anoxie.

            Une souche mutante de C.reinhardtii favorable à la production d’hydrogène sera également mise en culture. Sa croissance en photobioréacteur sera étudiée ainsi que sa capacité à accumuler des réserves en amidon, jouant un rôle primordial sur la production d’hydrogène. Enfin, l’ensemble des résultats acquis permettront d’alimenter l’aspect modélisation des phénomènes afin d’aller vers un modèle de connaissances permettant de décrire directement la production d’hydrogène et de d'optimiser par simulation les conditions de production. Cela permettra d’atteindre le but final, obtenir une production continue, modélisée et optimisée d’hydrogène par Chlamydomonas reinhardtii sur un photobioréacteur bi-étagé.

Publications

B. DEGRENNE, J. PRUVOST, J. LEGRAND, Effect of prolonged hypoxia in autotrophic conditions in the hydrogen production by the green microalgae Chlamydomonas reinhardtii in photobioreactor, Bioresource Technology 102, n°2, 1035-1043, 2011.

B. DEGRENNE, J. PRUVOST, M. TITICA,H. TAKACHE, J. LEGRAND, Kinetic Modeling of Light Limitation and Sulfur Deprivation Effects in the induction of Hydrogen production with Chlamydomonas reinhardtii. Part II: Definition of model-based protocols and experimental validation, Biotechnology and Bioengineering 108, n°10, 2288-2299, 2011.

S.FOUCHARD, J.PRUVOST, B.DEGRENNE, M.TITICA, J.LEGRAND, Kinetic modeling of light limitation and sulphur deprivation effects in the induction of hydrogen production with Chlamydomonas reinhardtii. Part I : Model description and parameters determination, Biotechnology and Bioengineering 102, n°1, 232-245, 2009.

S.FOUCHARD, J.PRUVOST, J.LEGRAND, First investigation of H2 production with the green microalga Chlamydomonas reinhardtii in a fully-controlled photobioreactor, International Journal of Hydrogen Energy 33, 3302-3310, 2008.

Projets