FR2979356A1 - Procede de reduction electrochimique du co2 catalysee par un biofilm electrochimiquement actif - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un procédé de réduction électrochimique du CO catalysée par un biofilm électrochimiquement actif, en présence de cathode métallique et de Geobacter sulfurreducens.

Description

Procédé de réduction électrochimique du CO2 catalysée par un biofilm électrochimiquement actif La présente invention concerne un procédé de réduction électrochimique du CO2 catalysée par un biofilm électrochimiquement actif et son utilisation pour la valoratisation du CO2 notamment en glycérol.

Les micro-organismes peuvent adhérer spontanément sur tous types de surfaces et former des films appelés biofilms constitués desdits micro-organismes, d'une matrice de substances exopolymériques (polysaccharides, protéines, macromolécules...) qu'ils excrètent, de substances produites par les métabolismes microbiens et de composés accumulés provenant du milieu ou issus de la dégradation de la surface support. Il a été découvert que les biofilms développés sur des surfaces conductrices sont capables d'utiliser ces surfaces pour évacuer les électrons issus de leur métabolisme (D. R. Bond et al., Science 295 (2002) 483, et L. M. Tender et al., Nature Biotechnology 20 (2002) 821; H. J. Kim et al., Enzyme and Microbial Technology 30 (2002) 145).

D'autres biofilms ont été démontrés capables de catalyser la réduction du CO2 sur des matériaux comme le graphite et le carbone (Nevin et al. : mBio 1(2) :e00103-10, doi : 10.1128/mBio.00103-10, ainsi que Villano et al. : Bioressource Technology 2010, 101, 3085-3090) qui, sous leur état initial dépourvu de biofilm, ne sont pas connus pour assurer des vitesses élevées de réduction du 002. Ces biofilms peuvent être mis à profit pour évacuer de la surface colonisée les électrons du système vers un composé dissous. Des procédés de réduction électrochimique de CO2 en présence de micro-organismes sont déjà décrits dans la littérature. En effet, l'article de Nevin et al. décrit un procédé de réduction électrochimique du CO2 en acétate, à partir d'une culture de Sporomusa ovata, colonisant une électrode de graphite. Par ailleurs, l'article de Villano et al. concerne un procédé de réduction électrochimique de CO2 en méthane, à partir d'une culture de Methanobacterium palustre, et en présence d'une électrode en carbone. Toutefois, ces articles décrivent des réductions électrochimiques du CO2 présentant des densités de courant relativement faibles, de l'ordre de 0,7 A/m2 et de 0,5 à 1,3 A/m2 respectivement.

Il existe donc un besoin de procédés de réduction électrochimique de CO2 plus efficaces permettant l'obtention de densités de courant plus élevées. De façon inattendue, les présents inventeurs ont mis en évidence que la réduction électrochimique du CO2 peut ainsi être améliorée au moyen d'une cathode métallique.

Un procédé de réduction électrochimique du fumarate en succinate, au moyen d'une cathode en acier inoxydable et du micro-organisme Geobacter sulfurreducens, est décrit dans l'article Electrochimica Acta 53 (2008), p.2494-2500. Toutefois, cet article ne décrit ni ne suggère un procédé de réduction électrochimique du 002. De plus, Geobacter sulfurreducens n'est connu que comme catalyseur de la réaction de fumarate en succinate et n'est aucunement considéré comme un catalyseur potentiel de la réduction de 002.

Selon un premier objet, l'invention concerne un procédé de réduction électrochimique du dioxyde de carbone (002) au moyen d'une cathode métallique et en présence de microorganisme(s) formant un biofilm électrochimiquement actif sur la surface de ladite cathode métallique.

Dans le cadre de cet exposé, et sauf mention contraire, on entend par « biofilm électrochimiquement actif» (biofilm EA), tout film formé par un micro-organisme électrochimiquement actif capable de se former sur la surface d'une électrode métallique par le biais de micro-organisme(s), et qui assure la catalyse de réactions électrochimiques.

La cathode avec le biofilm électrochimiquement actif formé à sa surface et/ou dans la solution électrolytique apte à former un biofilm EA est ici désignée par le terme « biocathode » ou cathode microbienne.

Selon un aspect particulier, le procédé selon l'invention peut conduire à la réduction du dioxyde de carbone en glycérol. Selon l'invention, à la cathode, se produit une réaction de réduction du CO2 avec production de glycérol selon la réaction : 3002 + 14H+ + 14e- C3H803 + 3H20. A l'anode, se produit une réaction d'oxydation : 2H20 02 gaz + 4H+ + 4e-. La réaction globale est : 3002 + 4H20 03H803 + 3,5 02 La valorisation de CO2 par la synthèse de molécules plateforme constitue un enjeu industriel considérable tant pour diminuer les rejets de CO2 que pour affranchir la chimie de sa dépendance aux sources de carbone fossiles. Il devient de plus en plus pressant de substituer aux sources fossiles des sources de composés organiques renouvelables qui permettent d'ouvrir de nouvelles voies de synthèse de composés complexes et de carburants. Pour la production de carburant, on mesure maintenant les limites des filières de type bioéthanol qui se heurtent à la mise en concurrence avec les productions agricoles destinées à l'alimentation. Ainsi, il existe donc un besoin dans la recherche de voies de synthèse alternatives. Selon un second objet, la présente invention concerne un procédé de valorisation du dioxyde de carbone (002), comprenant la réduction du CO2 en glycérol par voie électrochimique. Un des avantages du procédé selon l'invention est donc la valorisation du CO2 en glycérol, qui constitue un intermédiaire de choix (molécule plateforme) pour la synthèse de molécules complexes.

Selon un aspect particulier, le procédé de valorisation selon l'invention comprend la mise en oeuvre du procédé de réduction électrochimique de CO2 selon l'invention décrit ci-avant et ci-après.

Selon un aspect particulier de la présente invention, le procédé de réduction par voie électrochimique du CO2 peut être réalisé au moyen d'une cathode métallique. Typiquement, le métal de la cathode est choisi parmi le fer, le titane, le cuivre, le chrome, le nickel, le zinc et leurs différents alliages, notamment l'acier, et plus particulièrement l'acier inoxydable.

Préférentiellement, la cathode métallique est en acier inoxydable. Parmi les aciers inoxydables, on trouve les aciers 304L, 316L, 254 SMO. Préférentiellement, le procédé selon l'invention utilise une cathode en acier 254 SMO. Typiquement, les cathodes peuvent présenter toute morphologie de surface possible, notamment les cathodes peuvent être microstructurées. Avantageusement, les matériaux de surface peuvent être prétraités en masse ou en surface, de façon à optimiser à la fois leur capacité à faire adhérer le biofilm EA, leur conductivité électronique et leur capacité à favoriser le développement de biofilms fortement EA. Il est connu que l'augmentation de la rugosité favorise le développement de biofilms EA efficaces. Toute modification de la morphologie de surface : rainurage, sablage, micro- et nano-structuration, etc., qui aura pour effet d'augmenter la surface disponible pour l'adhésion microbienne et de favoriser cette adhésion, sera également favorable au système. Selon un autre aspect de l'invention, la réduction par voie électrochimique du procédé peut être réalisée en présence d'un ou plusieurs micro-organisme(s) formant un biofilm électrochimiquement actif sur la surface de la cathode métallique. Typiquement, le(s) micro-organisme(s) est(sont) choisi(s) parmi Geobacter, Desulfuromonas, Shewanella, Geopsychrobacter, Rhodoferrax, Geothrix. Préférentiellement, le procédé selon l'invention utilise Geobacter, notamment Geobacter sulfurreducens et notamment la souche Geobacter sulfurreducens PCA (ATCC51573). Ainsi, les inventeurs ont avantageusement montré que Geobacter Sulfurreducens peut catalyser la réduction électrochimique de CO2 par formation de biofilm sur la surface d'une cathode métallique, notamment d'une cathode en acier inoxydable. Selon l'invention, le glycérol est aussi produit de façon aisée sans mettre en oeuvre les étapes de séparation des mouts de fermentation habituelles. Selon l'invention, la réduction électrochimique du CO2 peut comprendre une étape préliminaire de réduction d'un accepteur naturel d'électrons du micro-organisme formant le biofilm. Ceci peut être réalisé notamment en utilisant une solution électrolytique comprenant ledit accepteur naturel d'électrons, notamment le fumarate. Lorsque la solution électrolytique contenant le micro-organisme est en contact avec du 002, par exemple sous atmosphère de N2 :002 (80 : 20%) à un potentiel donné, le fumarate est réduit en premier par rapport au 002, car il est bien connu que le fumarate est un accepteur naturel d'électrons de ce micro-organisme. Sans vouloir être lié par théorie, la réduction du fumarate préalablement au CO2 pourrait être liée aux potentiels rédox du fumarate et du 002.

Dans le cadre de cet exposé, et sauf mention contraire, on entend par « accepteur naturel d'électrons », toute substance capable d'être réduite et pouvant récupérer les électrons du micro-organisme qui ont été transférés à la cathode. Préférentiellement, ledit micro-organisme permettant la formation du biofilm est le Geobacter sulfurreducens et ledit accepteur naturel d'électrons est le fumarate.

Le(s)dit(s) micro-organisme(s) formant un biofilm EA à la surface de la cathode métallique peuvent exister spontanément dans l'électrolyte. Alternativement ou cumulativement, il peut être envisagé d'ensemencer l'électrolyte avec des micro-organisme(s) adapté(s) sous toutes formes possibles (inocula, bouillons de culture, lyophilisats, etc.). Pour cela, on peut également utiliser comme inoculum des échantillons de milieux connus pouvant contenir des micro-organismes formant facilement des biofilms EA, tels que des boues d'effluents aqueux (stations d'épuration par exemple), des sédiments ou des biofilms marins, des composts et tout autre milieu connu par l'homme de l'art pour donner des biofilms EA.

L'ensemencement peut être effectué au début de la mise en fonction du dispositif, il peut aussi éventuellement être renouvelé en cours de fonctionnement pour réactiver le dispositif, par exemple pour pallier une diminution de son efficacité ou après un incident de fonctionnement. Ainsi, le procédé selon l'invention peut comprendre en outre l'étape d'ensemencement de l'électrolyte avec ledit micro-organisme. Préférentiellement, la concentration de l'inoculum selon l'invention est d'environ 10% v/v. Selon l'invention, l'accepteur naturel d'électrons du micro-organisme, notamment le fumarate, est préférentiellement présent dans le milieu de culture du micro-organisme ainsi que dans la solution électrolytique, présente dans le réacteur électrochimique.

Selon un mode de réalisation particulier, le micro-organisme est ajouté au sein de la solution électrolytique contenant l'accepteur naturel d'électrons, lorsque le milieu de culture du micro-organisme atteint une densité optique désirée. Par exemple, le microorganisme peut être ajouté quand la densité optique dans le milieu de culture est d'environ 0,4 à 620 nm. Selon l'invention, la concentration de fumarate dans l'électrolyte peut être comprise entre 0 et 9 g/L, de préférence entre 0,6 et 8 g/L, plus préférentiellement entre 1 et 4,5 g/L.

Le procédé selon l'invention peut être réalisé au moyen de toute cellule électrochimique, généralement connue de l'homme du métier. Typiquement, la réaction de réduction électrochimique selon l'invention peut être réalisée au sein d'un réacteur électrochimique comprenant une électrode de travail, une électrode de référence ainsi qu'une contre-électrode. Préférentiellement, l'électrode de référence est Ag/AgCI, la contre-électrode est en platine, et l'électrode de travail (biocathode) est en acier inoxydable super-austénique (254SMO). Selon un aspect particulier, les électrodes peuvent être préalablement polarisées dans le milieu électrolytique favorable à la formation de biofilms adéquats à un potentiel imposé qui favorise le développement de biofilms EA. Typiquement, le potentiel de polarisation de la biocathode peut être inférieur à -0,3V par rapport à l'électrode de référence Ag/AgCI. Préférentiellement, le potentiel de polarisation de la biocathode peut être compris dans la gamme de valeurs de -1,0V à -0,3V, plus particulièrement de -1,0V à -0,6V par rapport l'électrode de référence Ag/AgCI. Le procédé selon l'invention conduit avantageusement à des densités de courant élevées comprises entre 20 et 200 A/m2, préférentiellement entre 25 et 100 A/m2, plus préférentiellement entre 25 et 50 A/m2.

Selon un mode de réalisation particulier, la réaction de réduction électrochimique selon l'invention peut être réalisée au sein d'un réacteur électrochimique dont les compartiments anodique et cathodique peuvent être séparés par un élément séparateur permettant la migration des ions entre lesdits compartiments anodique et cathodique.Selon l'invention, ledit élément séparateur peut alors être un pont électrochimique connu de l'homme du métier, telle qu'une membrane échangeuse de protons (PEM), une membrane cationique, une céramique, une membrane d'Ultrafiltration (UF), membrane échangeuse d'anions (AEM), une membrane bipolaire, ou encore un simple séparateur polymérique (gazeux) ou toute autre séparation permettant la conduction ionique connue de l'homme de l'art; On peut ainsi citer à titre illustratif les membranes commerciales Nafion® 117 ou 1135, ou CM1-7000S. Dans le cadre de cet exposé, et sauf mention contraire, on entend par « compartiment anodique », le compartiment de la cellule électrochimique comprenant l'anode. Dans le cadre de cet exposé, et sauf mention contraire, on entend par « compartiment cathodique », le compartiment de la cellule électrochimique comprenant la cathode.35 Les exemples suivants illustrent l'invention, sans toutefois la limiter. FIGURES La Figure 1 représente schématiquement le réacteur électrochimique selon l'invention comprenant une électrode de travail (1), une électrode de référence (2) ainsi qu'une contre-électrode (3), immergées dans 2L de solution électrolytique (4) et 0,5 L de gaz surnageant (N2, CO2 ou un mélange des deux) (5).

La Figure 2 représente le suivi ampérométrique de l'électrode de travail. Le courant I (mA) est donné en fonction du temps exprimé en jour. La Figure 3 présente les voltammétries cycliques (CV) obtenues après l'injection des bactéries dans le réacteur électrochimique avec un bullage N2:CO2 (80 :20%) juste après l'inoculum (courbe 1), après formation du biofilm électroactif sous bullage de N2:CO2 (80 :20%) à un temps t de 7 jours environ (courbe 2) et pendant le barbotage de N2 (100%) (courbe 3). Cette figure représente des densités de courant J (A.rn-2) en fonction du potentiel E (V) vs Ag/AgCl.

EXEMPLES 1. Matériels et méthodes 1.1. Souche, milieux et conditions de croissance La souche Geobacter sulfurreducens PCA (ATCC51573) a été achetée chez DSMZ (Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen). Le milieu de culture et les conditions de croissance de la souche mis en oeuvre sont identiques à ceux décrits par Dumas et al. (Electrochimica Acta 53, 2008, 2494-2500). La culture de Geobacter sulfurreducens a été entretenue par voie liquide. La solution électrolytique dans laquelle a été préparée les biocathodes est identique au milieu de culture mais elle ne contient pas d'acétate et la concentration finale en fumarate est de 4 gri (25 mM). Le réacteur électrochimique contenant la solution électrolytique a été thermostaté à 30°C et mis sous barbotage de N2:CO2 (80:20%) pendant 12h. Les bactéries (7.5 ± 0.5%, v/v) ont été injectées dans le réacteur électrochimique quand leur densité optique dans le milieu de culture a atteint la valeur d'environ 0.4 à 620 nm. Le bullage de N2:CO2 a été maintenu à un débit plus faible après inoculation pour assurer l'anaérobiose. 1.2. Réacteur électrochimique et électrodes Le réacteur électrochimique a contenu 2L (±10%) de solution électrolytique et un espace surnageant de 0,5L (voir schéma du réacteur en Figure 1). Il se compose classiquement d'une électrode de travail (1), d'une électrode de référence (2) et d'une contre-électrode (3). L'électrode de travail de surface 7,5 cm2 est en acier inoxydable super-austénitique UNS S31254 (254SMO) dont la composition est : 0.01% C, 19.9% Cr, 6% Mo, 17.8% Ni, 0.5% Mn et 0.02% N. L'électrode de référence est une électrode Ag/AgCI (qui consiste en un fil d'argent de diamètre 2 mm recouvert de chlorure d'argent) dont le potentiel dans le milieu est de 0.3 V vs ESH (Electrode Standard à Hydrogène) et la contre-électrode une grille de platine réalisée avec un fil de platine de 0,38 mm de diamètre. L'électrode de travail (1) a été trouée et taraudée afin de fixer une tige de titane qui assure la jonction électrique. Avant l'expérience, l'électrode de travail (1) a été lavée selon le protocole décrit dans Dumas et al. (Electrochimica Acta 53, 2008, 2494-2500). Le potentiel de polarisation a été fixé à -0,6 V vs Ag/AgCI grâce à un potentiostat (Bio-Logic, France). Le courant a été enregistré au cours du temps tout au long de l'expérience (suivi chrono-ampérométrique). La chronoampérométrie a été parfois interrompue pour réaliser des voltammétries cycliques (CV) à 10 mV/s ou 1 mV/s dans la gamme de potentiels de - 0,6 V à 0 V vs Ag/AgCI. 1.3. Quantification du glycérol Le glycérol formé a été quantifié par un kit enzymatique spécifique du glycérol (Megazyme glycerol kit K-GCROL, LIBIOS, France) dont la limite de détection est de 10 mg/L. 2. Résultats35 La Figure 2 présente le suivi ampérométrique de l'électrode de travail. Le courant I (mA) est donné en fonction du temps exprimé en jour. Sept phases, repérées par les numéros 1 à 7 et correspondant à des conditions données de polarisation (potentiel Vp) et de bullage, ont été distinguées dans cette expérience.

Lors de la première phase, le potentiel de polarisation a été fixé à -0,6 V vs Ag/AgCI et l'anaérobiose a été réalisée par barbotage de N2:CO2 (80:20%). Comme le montre la Figure 2, après 2 jours de latence correspondant à la formation du biofilm électroactif de Geobacter sulfurreducens sur l'électrode de travail, le courant a d'abord augmenté quasi- linéairement sur un intervalle de temps At, (Ati - 2,5 jours) puis s'est stabilisé autour d'une valeur moyenne Imax de l'ordre de -15,5 mA pendant un temps At2 (At2 - 7 jours). Les perturbations notées CV sur la Figure 2 correspondent aux interruptions de la chronoampérométrie pour le tracé des voltammétries.

La quantité de fumarate consommée par réduction suivant la réaction suivante : Fumarate + 2H-F + 2e- Succinate a pu être calculée par la loi de Faraday en fonction de l'intensité enregistrée. Une mole de fumarate réduite donne deux moles d'électrons, soit une quantité d'électricité égale à 2F (F = constante de Faraday = 96 500 Cb). L'intégration de l'intensité du courant en fonction du temps a donné la quantité d'électricité, donc la quantité de fumarate consommée. L'intégration de l'intensité sur dix jours et demi a donné 4970 Cb, c'est-à-dire la quantité d'électricité correspondant à la consommation totale des 50 mmoles de fumarate initialement présente dans le réacteur. Le fumarate a donc été totalement consommé au bout de 10,5 jours identifié par le stade A sur la Figure 2. Une fois le fumarate épuisé, le courant de réduction aurait du retomber à zéro, or les résultats de la Figure 2 montrent que le courant de réduction a perduré après 10,5 jours. Les bactéries Geobacter sulfurreducens ont donc trouvé dans le milieu un autre accepteur d'électrons qui ne peut être que CO2 provenant du bullage, seul composé réductible fourni au milieu en quantité suffisante pour assurer le maintien de l'intensité du courant. Dans la seconde phase de l'expérience, l'anaérobiose a été réalisée par barbotage de CO2 pur et le potentiel de polarisation a été fixé à -0,4 V vs Ag/AgCI. L'intensité est tombé de la gamme 15-17 mA à la gamme 5-6 mA, conformément à la variation prévisible pour une réaction électrochimique. Ce comportement démontre que la valeur du potentiel contrôle la vitesse de réduction de 002. En outre, le bullage de CO2 pur n'a pas eu d'effet significatif sur le courant de réduction. Ce comportement a pu être expliqué par le fait que la vitesse maximale de consommation du CO2 par les bactéries a déjà été atteinte (comportement de type Michaelien).

Lors de la troisième phase le système a été replacé dans les conditions initiales (Vp = -0,6 V vs Ag/AgCI et bullage de N2:002 (80:20%)). L'intensité a d'abord été légèrement plus élevée (en valeur absolue) puis est revenue vers la valeur enregistrée dans la phase 1 dans la gamme 15-17 mA (Figure 2, 14e" jour environ). Le barbotage de N2:002 (80:20%) a alors été remplacé par un barbotage de N2 pur, exempt donc de CO2 avec un potentiel de -0,6 V vs Ag :AgCI (quatrième phase de l'expérience). Le courant de réduction a diminué jusqu'à atteindre un courant nul, ce qui démontre que l'accepteur d'électrons réduit est le 002.

La Figure 3 présente les voltammétries cycliques (CV) obtenues après l'injection des bactéries dans le réacteur électrochimique (courbe 1), après formation du biofilm électroactif sous bullage de N2:002 (courbe 2) et pendant le barbotage de N2 (courbe 3). Aucun courant de réduction n'est visible pour la courbe 1 car le biofilm électroactif n'a pas encore été formé. Une densité de courant de réduction élevée a été observée lorsque le biofilm a été formé et sous bullage de N2:002 (courbe 2), en accord avec les résultats chrono-ampérométriques (Figure 2). Au contraire le courant de réduction a disparu sur la courbe 3 car il n'y a plus d'accepteur d'électrons disponible dans le milieu qui puisse être réduit : le fumarate a été totalement consommé et le bullage de N2:002 a été remplacé par un bullage de N2 pur. Lorsque le barbotage de N2:002 a été rétabli (phase 5 de l'expérience, Figure 3), le courant de réduction a réapparu à une valeur très proche de celle observée pendant la phase 1. Ainsi, ces données confirment la réduction du dioxyde de carbone par le biais de biofilm électrochimiquement actif sur la cathode en acier inoxydable.

Une fois le courant stabilisé dans la phase 5, le bullage de N2:002 a été une nouvelle fois remplacé par du CO2 pur (phase 6 de l'expérience, Figure 2). Au stade B, on a effectué un prélèvement qui a été analysé avec le kit glycérol. Le courant de réduction produit est resté similaire à celui obtenu en phase 5. Dans une dernière étape (phase 7, Figure 2), le flux de N2:002 (80:20%) a été rétabli. Le courant a alors diminué (en valeur absolue) d'environ 3 mA/jour sous l'effet très probable du vieillissement accéléré du biofilm soumis à des conditions extrêmes de fonctionnement, en particulier lors des phases en absence totale de 002. Les résultats précédents démontrent que le dioxyde de carbone CO2 a été consommé par Geobacter sulfurreducens en tant qu'accepteur d'électrons. Des analyses par chromatographie liquide couplée à une détection réfractométrique ont démontré que le produit issu de la réduction du CO2 est le glycérol. L'analyse d'un échantillon prélevé dans le réacteur peu avant la fin de l'expérience (Figure 2), réalisée avec le kit enzymatique spécifique du glycérol, a confirmé la présence de glycérol et a permis de quantifier la concentration en glycérol produite dans le réacteur électrochimique au moment du prélèvement soit 0,6 g L. Les valeurs maximales des densités de courant obtenues sont de l'ordre de 25 A/m2, ce qui est d'un ordre de grandeur au dessus de toute valeur reportée jusqu'à présent pour un procédé de réduction de 002.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de réduction électrochimique du dioxyde de carbone (CO2) au moyen d'une cathode métallique et en présence de micro-organisme(s) formant un biofilm électrochimiquement actif sur la surface de ladite cathode métallique.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, tel que le dioxyde de carbone est réduit en glycérol.
3. 3. Procédé selon l'une quelconque des précédentes, tel que la cathode métallique est en acier inoxydable.
4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, tel que le micro-organisme est le Geobacter sulfurreducens.
5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, tel que la réduction électrochimique du CO2 comprend une étape préliminaire de réduction d'un accepteur naturel d'électrons du micro-organisme formant le biofilm.
6. 6. Procédé selon la revendication 5, tel que ledit micro-organisme est le Geobacter sulfurreducens et ledit accepteur naturel d'électrons est le fumarate.
7. 7. Procédé de valorisation du CO2, comprenant la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.