Abstract :
[en] The emergence of environmental and societal issues caused by the fossil fuels consumption and
the simultaneous increase of the energetic needs will lead the society to evolve into a new
energetic system. The creation of the hydrogen society could bring a suitable and sustainable
solution since the production and use of hydrogen could be operated at higher yields than the
fossil fuels economy and produce energy while generating only water vapour as co product.
However, in order to get rid of the fossil fuels consumption, there is a need to diversify the
hydrogen production processes and technology, currently still based on CO2—emitting
technologies. The so-called “dark fermentation” process is based on strict of facultative
anaerobic bacteria producing biohydrogen and soluble metabolites as a fermentation co
product. These microorganisms consume organic substrates such as in wastewater to achieve
their growth. The biohydrogen technology has been studied during several years in laboratory
but still is not mature to be brought at an industrial scale. Indeed, there is first a need to
improve the performances (such as the H2 yields and production rates) to achieve the technical
and economical requirements. This thesis investigates and discusses various possibilities in
order to bring the biohydrogen production process to a larger scale.
The strain investigated in this work, Clostridium butyricum, can achieve high performances (in
terms of hydrogen yields, about 1.9 to 2.2 molH2·molglucose
-1 and production rates, about 50 to
110 mLH2·L-1·h-1 in batch or sequencing-batch cultures) and is able to consume simple and more
complex substrates. However, being a strict anaerobic strain, its uses in pure culture requires
the achievement of strong anaerobic conditions using artificial and costly means. Moreover,
even if the work in pure culture has some advantages at the laboratory scale, it is inappropriate
to larger volumes of bioreactor. Therefore, mixed cultures were investigated in batch and
sequencing-batch bioreactors, resulting in a decrease by about 30 to 50% of the yields (down
to 1.2 to 1.7 molH2·molglucose
-1). The mixed cultures reached however comparable or higher
performances than the scientific literature confirming the interest of the approach suggested in
this work.
However, the performances need to be further enhanced in order to make the process
economically possible. Therefore, improvements of the yields and the rates were proposed. On
the one hand, the yields were increased by 55 to 100% (up to 3.1 molH2·molglucose
-1) by
improving the mass transfer conditions and, by the way, decreasing the dissolved hydrogen
concentration in the liquid media. These considerations led to the design of a novel biodisc
bioreactor working continuously and allowing the efficient hydrogen mass transfer. In mixed
culture, the biodisc bioreactor reached high performances (H2 yields of 2.4 molH2·molglucose
-1 and
H2 rates of 600 mLH2·L-1·h-1), showing the interest of the original design and of the “mass
transfer” approach achieved in this work. On the other hand, the addition in the culture
medium of small quantities of metallic nanoparticles showed a catalytic-like effect by enhancing
the hydrogen production rate by about 40 to 100%.
Ending this work, the general discussion evidences the advantages of the different techniques
suggested in the work and compares them to the recent scientific literature. Furthermore,
perspectives are given in terms of scientific outlooks, considering the economical, environmental
and technical aspects, in order to bring the hydrogen production process at a large scale.
[fr] Avec l’arrivée des problèmes environnementaux engendrés par la consommation de ressources
fossiles et par l’augmentation simultanée des besoins énergétiques, il sera bientôt nécessaire de
bouleverser le modèle énergétique sur lequel la société actuelle repose. L’hydrogène apporte
une solution durable et pratique, sa production et son utilisation pouvant se réaliser à haut
rendement et sa combustion ne générant que de l’énergie et de l’eau comme sous-produits.
Cependant, afin de s’affranchir de la consommation des combustibles fossiles, une
diversification des moyens de production de l’hydrogène doit être envisagée. Le procédé de
« dark fermentation » permet la production de biohydrogène en faisant intervenir des
bactéries anaérobies. Ces dernières ont la possibilité de consommer les substrats carbonés de
milieux aqueux, tels que les eaux usées, afin de produire de l’hydrogène et, parallèlement, de
relarguer en solution divers métabolites solubles. Si cette technologie est étudiée depuis
plusieurs années en laboratoire, elle n’est pas encore assez mature pour être portée à l’échelle
industrielle. En effet, l’application à de plus grands volumes requiert l’amélioration des
performances et la stabilisation du procédé sur le long terme. Ce travail de thèse propose donc
plusieurs pistes d’études visant à permettre le scaling-up de la production de biohydrogène.
La souche principalement étudiée dans ce manuscrit, Clostridium butyricum, est particulièrement
intéressante car elle permet d’atteindre de bonnes performances (rendements de conversion du
glucose en hydrogène de 1.9 à 2.2 molH2·molglucose
-1 et productivités de 50 à 110 mLH2·L-1·h-1 en
culture batch ou fed-batch) et consomme une large gamme de substrats. Cependant, étant
anaérobie stricte, son utilisation en culture pure nécessite de créer l’anaérobiose par des
moyens artificiels coûteux. Par ailleurs, s’il possède des avantages au niveau du laboratoire, le
travail en culture pure est exclu à plus grande échelle. Dès lors, des cultures mixtes ont été
étudiées en fermentations batch et en bioréacteurs alimentés de manière séquentielle. La
formation de consortia a résulté en la diminution des rendements de l’ordre de 30 à 50% (à
1.2 à 1.7 molH2·molglucose
-1), mais ont permis d’atteindre in fine des performances comparables,
voire supérieures à la littérature scientifique.
Cependant, les rendements atteints, même s’ils sont satisfaisants, ne sont pas suffisants pour
rendre le procédé économiquement viable. Des moyens d’amélioration des rendements et des
productivités ont été proposés. D’une part, l’abaissement des concentrations en hydrogène
dissout, réalisé par l’amélioration des conditions de transfert, ont permis d’augmenter de près
de 55 à 100% les rendements (jusqu’à 3.1 molH2·molglucose
-1). Cela a abouti au design d’un
bioréacteur à biodisque fonctionnant en continu et permettant une amélioration du transfert
d’hydrogène par rapport à un réacteur à cuve agitée classique. Les performances atteintes
dans ce bioréacteur en cultures mixtes (2.4 molH2·molglucose
-1 et 600 mLH2·L-1·h-1) montrent l’intérêt
de ce design original, mais surtout de l’approche axée sur le « transfert de matière » comme
réalisé dans ce travail. D’autre part, l’ajout de nanoparticules métalliques agissant en
collaboration avec les enzymes responsables de la production d’hydrogène ont monté un effet
de type catalytique en accélérant la production d’hydrogène de l’ordre de 40 à 100%.
Ce travail se conclut par une discussion générale mettant en évidence les avantages des
techniques utilisées au cours de ce travail de thèse en comparaison avec les études récentes
publiées dans la littérature scientifique. En outre, des perspectives de recherches, reprenant les
aspects techniques, économiques et environnementaux, sont données afin de permettre
l’évolution et l’application
