Bio-ingénierie pour le spiles à combustible microbiennes

301 Pages·2017·5.78 MB·English

by  Manon Oliot

En vue de l'obtention du
DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivré par :
Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse)
Discipline ou spécialité :
Génie des Procédés et de l'Environnement
Présentée et soutenue par :
Mme MANON OLIOT
le mardi 30 mai 2017
Titre :
Bio-ingénierie pour les piles à combustible microbiennes
Ecole doctorale :
Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés (MEGeP)
Unité de recherche :
Laboratoire de Génie Chimique (L.G.C.)
Directeur(s) de Thèse :
M. ALAIN BERGEL
MME MARIE LINE DELIA
Rapporteurs :
M. FRANÇOIS LAPICQUE, UNIVERSITÉ LORRAINE
Mme ELISABETH LOJOU, AIX-MARSEILLE UNIVERSITE
Membre(s) du jury :
M. GERARD MERLIN, INP DE GRENOBLE, Président
M. ALAIN BERGEL, INP TOULOUSE, Membre
Mme ANNETTE MOSDALE, PAXITECH SA, Membre
Mme MARIE LINE DELIA, INP TOULOUSE, Membre
Remerciements
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été effectués au Laboratoire de Génie Chimique (LGC) au sein du
département « Bioprocédés et Systèmes microbiens » de l’Institut National Polytechnique de Toulouse (INPT).
Tout d’abord, je souhaite adresser mes remerciements les plus sincères à mes directeurs de thèse, Alain Bergel
et Marie-Line Délia. Merci de m’avoir confié ce sujet passionnant et enrichissant tant sur le plan scientifique
qu’humain. Merci à vous deux pour votre confiance et votre soutien inconditionnel au cours de ce projet. Votre
méthode de management a finalement porté ses fruits ☺ ! Merci Alain pour ton éternelle bonne humeur et ta
« positive attitude ». Merci Marie-Line pour ta gentillesse et tes conseils avisés. Je n’oublie pas le reste de
l’équipe : je remercie Luc Etcheverry pour son aide sans faille sur la partie technique et cela toujours avec le
sourire ; Régine Basséguy pour la partie impédance, pour sa bienveillance et son oreille attentive en toutes
circonstances, merci pour ces discussions sur la vie en général ; Benjamin Erable pour ses conseils et son humour !
Merci à tous pour ces trois années passées trop rapidement à mon gout ! Peut-être aurons-nous l’occasion de
tous nous retrouver pour manger à la terrasse de Maccheroni à Rome ?!
Je tiens également à remercier tous les membres du jury qui ont accepté d’examiner ces travaux de thèse. Merci
à Elisabeth Lojou et François Lapicque d’avoir été les rapporteurs. Je remercie également Annette Mosdale et
Gérard Merlin d’avoir accepté le rôle d’examinateurs.
J’adresse mes remerciements à l’ensemble des personnes ayant contribué à la réalisation de ces travaux :
l’ensemble des membres du projet Bioelec pour les discussions enrichissantes et cela toujours dans la bonne
humeur ; tous les membres du département Biosym ; Marie-Line de Solan pour les images MEB ; Sophie
Pécastaings et Alexis Simons pour l’extraction d’ADN ; l’atelier du LGC qui a confectionné la majorité de mes
prototypes et sans qui mes piles n’auraient jamais vu le jour. Je remercie également l’ensemble du personnel
administratif et en particulier Alain Philippe pour son éternel dévouement à la vie du laboratoire et pour son aide
précieuse pour la préparation de mon repas de thèse. J’ai également une pensée pour mes collègues d’avenant
d’enseignement de l’ENSAT avec qui je garde un excellent souvenir du module de vinification !
Un énorme merci également à mes chers collègues et amis du laboratoire avec qui j’ai créé des liens forts et sans
qui ces trois années n’auraient pas été aussi remplies de joie. Une pensée particulière pour Célestine, Elise et
Ingrid avec qui nous formons le quatuor infernal de La Galante Cotonnerie ☺ merci pour votre soutien
incontestable pendant ces trois années et je l’espère bien plus encore ! Merci aux nouveaux arrivés comme aux
plus anciens : Mickael, Yan, Bia, Coline, Alex, Freddy, Polo, Silvia, Mehran, Laeticia C., Binta, Pierre C., Pierre A.,
Poe, Emma, Nadège, Rémi, Refka, Pedro, Leticia, Loren, Lucas, Fatine, Omar, … Vous allez me manquer !
Je ne peux oublier tous mes amis proches ou lointains : mes amis toulousains et en particulier Julie et Jérôme
pour leur soutien inconditionnel dans toutes les épreuves de la vie, mes coéquipières de basket de l’UVBN (c’est
long !). Merci également à tous mes amis nancéens, grenoblois, basketteurs, ingénieurs ou amis du lycée, les
périodes sans se voir sont souvent trop longues mais l’important est de toujours se retrouver comme au premier
jour… alors MERCI d’être toujours présents ! Je n’oublie pas Ludovica, mon amie italienne ! Je suis également
très heureuse d’avoir participé au concours de « Ma thèse en 180 secondes », ce fut une expérience
extraordinaire qui m’a permis d’apprendre beaucoup sur moi-m’aime et de rencontrer de superbes
personnalités.
Je souhaite adresser un merci tout particulier à Jean François Portha, Claire et Olivier Cuisinier ainsi qu’à Fanny
Martin pour leurs conseils et ces longues discussions qui m’ont encouragé à me lancer dans cette belle aventure
qu’est la thèse. Je ne regrette rien !
Mes remerciements se tournent enfin vers ma famille. Je remercie de tout mon cœur mes grands-parents, Maria-
Pia et Louis, alias les Pilous, leur force et leur joie de vivre m’épateront toujours. Je remercie également mes
parents, Muriel et Dominique, pour leur confiance et leur soutien éternel, et enfin mon frère Valentin, mon
exemple de toujours. Je vous aime et j’ai de la chance de vous savoir près de moi en toutes circonstances.
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Bio-ingénierie pour les piles à combustible microbiennes
Résumé
Une Pile à Combustible Microbienne (PCM) convertit l’énergie chimique issue de l’oxydation de la
matière organique directement en énergie électrique. L’oxydation du combustible est assurée par un
biofilm dit « électroactif » se développant à la surface de l’anode et jouant le rôle de catalyseur
microbien. L’anode microbienne formée à partir d’un consortium bactérien, issu dans cette étude de
terreau de jardin, est associée à une cathode à air abiotique à la surface de laquelle se produit la
réduction de l’oxygène.
L’assemblage d’une anode microbienne et d’une cathode à air abiotique pour construire une PCM est
un réel challenge tant les conditions optimales de chacune sont différentes. Ces travaux de thèse ont
donc pour objectif d'anticiper le fonctionnement global de la PCM pour concevoir une anode
microbienne et une cathode abiotique capables de fonctionner ensemble de façon optimale. Une
partie expérimentale conséquente vise à concevoir une PCM optimale en menant des essais sur
différents designs de réacteur. Un modèle numérique, basé sur l’expérimentation et calculant les
distributions secondaires de courant et de potentiel au sein de la PCM, vient compléter l’étude
expérimentale afin d’optimiser l’architecture de la PCM et maximiser les performances délivrées.
La configuration « Assemblage Séparateur-Electrodes » consiste à intercaler le séparateur entre la
bioanode et la cathode à air dans le but de diminuer la résistance interne du système. Ce design a
permis de concevoir des PCMs délivrant d’excellentes performances jusqu’à 6.42 W.m-2. In fine, le
prototype « Bioelec », utilisé comme modèle de démonstration, est réalisé à l’échelle du laboratoire
avec un assemblage en série et en parallèle de plusieurs PCMs élaborées avec cette configuration
« ASE ».
Mots-clés : Pile à combustible microbienne ; Ingénierie bioélectrochimique ; Anode microbienne ;
Distribution de potentiel ; Extrapolation ; Assemblage séparateur électrodes.

Bio-engineering for microbial fuel cells
Abstract
A Microbial Fuel Cell (MFC) can convert the chemical energy contained in low-cost organic matter
directly into electrical energy. The oxidation of organic matter is performed by a biofilm known as
“electroactive” that develops on the anode surface and acts as a microbial catalyst. The microbial
anode, formed from indigenous bacteria of compost leachate, is combined with an abiotic air-cathode
catalyzing the reduction of oxygen.
The association of a bioanode and an abiotic air-cathode in an MFC is a major challenge as their optimal
conditions are so divergent. The purpose of this PhD work is to anticipate the global mechanisms of an
MFC in order to develop a microbial anode and an abiotic air-cathode able to operate together in an
optimal way.
A consequent experimental part aims to develop an optimal MFC by carrying out tests on several
reactor designs. A numerical model, based on the experimental results, calculates the secondary
distributions of current and potential in the cell. The model supports the experimental study and is
used to optimize the MFC architecture and maximize the delivered performances.
The configuration “Separator-Electrodes Assembly” consists of sandwiching the separator between
the bioanode and the air-cathode in order to decrease the internal resistance of the system. This design
provided excellent results as MFCs delivered great power densities up to 6.42 W.m-2. Finally, a
prototype “Bioelec”, used as a demonstrative model, was built with several MFCs connected in series
or in parallel, each of them designed with the “ASE” configuration.
Keywords : Microbial fuel cells ; Bioelectrochemical engineering; Microbial anode ; Potential
distribution ; Scale-up ; Separator electrodes assembly.
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Sommaire

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Sommaire
Sommaire
Nomenclature………………………………………………………………………………………………………………………...……
11 Introduction générale ……………………………………………………………………………………………………………..
…..15
CHAPITRE 1 : Bibliographie………………………………………………………….………………………..21
1.Un peu d’histoire … ................................................................................................................ 23
2.Pile à combustible microbienne (PCM) .................................................................................... 23
2.1. Principe de base .................................................................................................................. 23
2.2. L’anode microbienne ........................................................................................................... 24
2.2.1. Mécanismes de transfert électronique ............................................................................... 24
2.2.2. Substrats .............................................................................................................................. 25
2.2.3. Matériaux supports ............................................................................................................. 26
2.3. La cathode ........................................................................................................................... 26
2.4. Développement de la technologie pile à combustible microbienne ....................................... 27
3.Transport ionique dans les piles à combustible microbiennes .................................................. 28
3.1. Limitations dans une pile à combustible microbienne ........................................................... 29
3.1.1. L’électrolyte ......................................................................................................................... 30
3.1.2. La bioanode ......................................................................................................................... 30
3.1.3. La cathode à air abiotique ................................................................................................... 30
3.2. Séparateurs dans une pile à combustible microbienne .......................................................... 31
CHAPITRE 2 : Matériel et méthodes - Approche expérimentale…….……………………..83
1.Inoculum et milieu .................................................................................................................. 85
1.1. Inoculum ............................................................................................................................. 85
1.2. Milieu synthétique ............................................................................................................... 85
2.Dispositifs expérimentaux ....................................................................................................... 86
2.1. Electrodes............................................................................................................................ 86
2.1.1. Anode .................................................................................................................................. 86
2.1.2. Cathode ............................................................................................................................... 87
2.1.3. Electrode de référence ........................................................................................................ 87
2.1.4. Contre-électrode ................................................................................................................. 87
2.2. Réacteurs électrochimiques ................................................................................................. 87
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Sommaire
2.2.1. Réacteurs électrochimiques « standards » ......................................................................... 87
2.2.2. Réacteurs électrochimiques de pile à combustible microbienne ....................................... 88
3.Techniques d’analyses ............................................................................................................ 89
3.1. Méthodes électrochimiques ................................................................................................. 89
3.1.1. Chronoampérométrie .......................................................................................................... 90
3.1.2. Voltammétrie cyclique ........................................................................................................ 90
3.1.3. Spectroscopie d’impédance électrochimique ..................................................................... 91
3.2. Montages d’étude de piles à combustible microbiennes ....................................................... 91
3.3. Dosage enzymatique de l’acétate ......................................................................................... 93
3.4. Observation des électrodes .................................................................................................. 93
3.4.1. Microscopie à épifluorescence 3D ...................................................................................... 93
3.4.2. Microscopie électronique à balayage ................................................................................. 94
3.5. Analyse des populations microbiennes par pyroséquençage ................................................. 95
CHAPITRE 3 : Matériel et méthodes - Approche numérique………….………………………..97
1.Aspects théoriques ................................................................................................................. 99
1.1. Notion de potentiels ............................................................................................................ 99
1.1.1. Potentiel absolu d’électrode ............................................................................................... 99
1.1.2. Potentiel d’électrode mesuré expérimentalement ............................................................. 99
1.1.3. Tension d’une pile à combustible microbienne ................................................................ 100
1.1.4. Calcul des distributions de potentiel et de courant .......................................................... 101
1.2. Distributions de potentiel ................................................................................................... 102
1.2.1. Distribution primaire ......................................................................................................... 102
1.2.2. Distribution secondaire ..................................................................................................... 102
1.2.3. Distribution tertiaire .......................................................................................................... 102
2.Distribution secondaire de potentiel dans une pile à combustible microbienne ....................... 103
2.1. Hypothèses simplificatrices ................................................................................................. 103
2.2. Ajustement des cinétiques expérimentales des électrodes ................................................... 104
2.2.1. Correction de la chute ohmique ........................................................................................ 105
2.2.2. Lissage par des équations (bio)électrochimiques ............................................................. 106
2.2.3. Ajustement des paramètres .............................................................................................. 107
2.3. Distributions de courant et de potentiel .............................................................................. 107
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Sommaire
CHAPITRE 4 : Optimisation des électrodes d'une pile à combustible microbienne…111
1.Cathode à air ......................................................................................................................... 113
1.1. Tentatives d’amélioration des performances de la cathode à air .......................................... 113
1.2. Le biofouling : une limitation importante pour les cathodes à air ......................................... 117
2.Anode microbienne ............................................................................................................... 118
2.1. Tests préliminaires : Modification de l’inoculum « lixiviat de terreau »................................. 118
2.1.1. Acclimater les microorganismes du terreau à des milieux alcalins ................................... 118
2.1.2. Rendre le lixiviat de terreau « propre » pour retarder le (bio)fouling de la cathode à air
119 2.2. Former une bioanode à haute température pour un fonctionnement à température
(Publication 1) ........................................................................................................................... 121
ambiante
2.3. Procédure optimale de formation d’une bioanode ............................................................... 140
2.3.1. Volet n°1 : Du lixiviat de terreau au milieu synthétique ................................................... 140
2.3.2. Volet n°2 : De la bioanode primaire à la bioanode secondaire ......................................... 149
2.4. Effet du mode d’alimentation en substrat ........................................................................... 158
2.5. Première tentative d’extrapolation des bioanodes (Publication 2)........................................ 159
3.Conclusions du Chapitre 4 ...................................................................................................... 178
CHAPITRE 5 : Optimisation d'une pile à combustible microbienne……………………….181
1. Contourner le biofouling de la cathode à air grâce à l’architecture de « pile à combustible
microbienne (PCM) avec cathode amovible » (Publication 3) ...................................................... 183
2.Augmenter la surface de la cathode à air ................................................................................ 196
2.1. Prototype « Multiple Air-Cathodes » ou « MAC » ................................................................. 196
2.1.1. Description du prototype .................................................................................................. 196
2.1.2. Résultats expérimentaux d’une pile à combustible microbienne avec une bioanode plane
..................................................................................................................................................... 197
2.1.3. Analyse de la contribution des cathodes à air .................................................................. 198
2.1.4. Résultats expérimentaux de piles à combustible microbiennes avec une bioanode
tridimensionnelle ........................................................................................................................ 200
2.2. Prototype « Cube » ............................................................................................................. 201
2.2.1. Description du prototype .................................................................................................. 201
2.2.2. Résultats avec le prototype « Cube » ................................................................................ 203
2.2.3. Extrapolation du prototype grâce au modèle numérique ................................................ 203
3.L’Assemblage Séparateur-Electrodes (ASE) avec une bioanode tridimensionnelle et une cathode à
air amovible booste les performances d’une pile à combustible microbienne (Publication 4) ...... 207
4.Conclusions du Chapitre 5 ...................................................................................................... 229
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