WO2020053527A1 - Réacteur bio-électrochimique comportant une bio-anode et une anode abiotique et son utilisation pour l'électrosynthèse microbienne - Google Patents

Réacteur bio-électrochimique comportant une bio-anode et une anode abiotique et son utilisation pour l'électrosynthèse microbienne Download PDF

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bio
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cathode
abiotic
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Théodore BOUCHEZ
JiangHao TIAN
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Institut National de Recherche en Sciences et Technologies pour Lenvironnement et lAgriculture IRSTEA
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    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • Bio-electrochemical reactor comprising a bio-anode and an abiotic anode and its use for microbial electrosynthesis
  • the present invention relates to the bio-electrochemical field, and more particularly relates to systems and methods of electrochemical synthesis using bio-electrochemical reactors, that is to say electrochemical devices whose electrodes, called bio-electrodes, are on contact with microorganisms.
  • bioelectrochemical synthesis reactors make it possible in particular, from organic waste, to produce organic molecules such as organic acids and / or alcohols.
  • a bioelectrochemical device which comprises both a bio-anode and a bio-cathode, the electrolyte of the anode compartment as well as the electrolyte of the cathode compartment containing electro microorganisms. -active (WO2016 / 051064).
  • the activity of the bio-cathode is optimized for the production of particular chemical species in the electrolyte, such as acetic, lactic and / or propionic acids or alcohols.
  • These syntheses of organic molecules by microbial means are carried out using electroactive bacteria present on the surface of the electrode or in the catholyte.
  • One of the current problems to be solved is to improve the reliability and durability of these bio-electrochemical devices, with a view to applications at the industrial stage. More particularly, in these microbial electrosynthesis processes, the electric current is produced from bio-waste, by oxidation of the organic molecules of this waste at the bio-anode. These processes present a dual interest, both economic and ecological for the treatment of bio-waste.
  • the main purpose of the invention is therefore to propose a means of combating these fluctuations in the electrochemical activity of the bioelectrochemical reactor.
  • Another object of the invention is to propose a simple device making it possible to compensate for the decreases in electrochemical activity of the bioelectrochemical reactor, preferably included in said reactor and not requiring complex manipulations of the operator.
  • Another object of the invention is to propose a bioelectrochemical reactor which can be operated on a large scale for applications at the industrial stage.
  • Another object of the invention is to propose a bio-electrochemical reactor, comprising a bio-anode and a bio-cathode, which can be used as a microbial electrosynthesis reactor making it possible to further optimize the recovery of the synthesized organic molecules, such as carboxylic acids.
  • the present invention relates to a bio-electrochemical reactor comprising at least one bio-anode and at least one bio-cathode immersed in an electrolyte containing microorganisms respectively in an anode compartment, called the first compartment, and in a cathode compartment, the anode and cathode compartments being separated by at least one ion exchange membrane, the first anode compartment having a port for introducing carbonaceous substrate organic, a first potential difference being applied, in operation, between the bio-anode and the bio-cathode,
  • abiotic anode characterized in that it comprises a second anode compartment containing an electrolyte, devoid of electro-active microorganisms, in which an abiotic anode is immersed, a second potential difference which can be applied, in operation between the abiotic anode and the bio-cathode .
  • a “bio-electrode” (“bio-anode” or “bio-cathode”) is an electrode covered at least in part with a bacterial biofilm comprising electro-active organisms, that is to say ie covered at least over part of its surface immersed in the electrolyte by a bacterial biofilm.
  • the entire submerged surface of the bio-electrode is covered with biofilm.
  • only part of the surface of the bio-electrode is covered with biofilm. In this latter embodiment, the surface covered with biofilm is sufficient to generate the desired activity, in particular in the case of oxidation of organic waste or of bio-electrochemical synthesis.
  • the addition of this auxiliary electrode, the abiotic anode, in a second anode compartment makes it possible, during a deficit in organic matter in the supply of substrate in the first anode compartment, to carry out an oxidation water, or any other electrolyte, by applying a second potential difference between said abiotic anode and the bio-cathode, that is to say without stopping the operation of the bio-electrochemical reactor.
  • the second anode compartment is separated from the cathode compartment by at least one ion exchange membrane.
  • the first and second anode compartments are separated from the cathode compartment by, going from the anode or the bio-anode to the bio-cathode, a cation exchange membrane and an anion exchange membrane, said exchange membranes cations and anions being separated from each other by an intermembrane compartment for collecting the molecules produced by the reactor in operation.
  • Said intermembrane compartment is advantageously a single compartment, that is to say a common compartment disposed between, on the one hand, the cationic membrane or membranes of the two anode compartments and, on the other hand, the anionic membrane of the cathode compartment.
  • protons are generated during the electrolysis of water in the second anode compartment. These protons can then migrate to the intermembrane compartment via the cation exchange membrane, thus contributing to the acidification of this compartment and increasing the proportion of non-ionized carboxylic acids which is the interesting form for recovery.
  • the reactor according to the invention makes it possible to optimize the recovery of carboxylic acids in undissociated form in the intermembrane compartment.
  • the second abiotic anode compartment can have a very acidic pH without the risk of deactivating the electro-active microorganisms of the first anode compartment.
  • the acidity of the second anode compartment is also maintained by the activity of the abiotic anode which generates protons.
  • the reactor according to the invention is a microbial electrosynthesis reactor, it comprises a non-biological anode, called abiotic anode, as well as a bio-anode which is the support for electroactive bacteria. These bacteria are capable of degrading solubilized organic waste and thus producing electric current on the bio-anode. Other electroactive bacteria on the bio-cathode of the reactor are capable of using this current to reduce the CO2 to organic acids in the form of anions, such as for example to reduce the CO2 to acetate.
  • the organic acids synthesized at the bio-cathode in anionic form migrate through the anionic membrane towards said intermembrane compartment.
  • the abiotic anode allows thus offering electrons to the bio-cathode with the bio-anode, continuing to produce current in the absence of organic waste, as well as producing acidity in the intermembrane compartment to facilitate the extraction of the molecules produced by the bio-cathode (in particular carboxylic acids in non-ionized form).
  • the reactor can be in a cylindrical form, the bio-cathode being placed in the center of the cylinder and being surrounded by, going outwards, the anion exchange membrane, the intermembrane compartment and the cation exchange membrane, the first and second anode compartments each occupying a portion of the annular space surrounding the cation exchange membrane, and being separated from each other by a sealed wall.
  • the term “watertight wall” is understood here to mean a separating wall that is impermeable to any fluid, allowing neither gases nor liquids to pass.
  • This particular cylindrical arrangement has the advantage of a compact reactor, the anode compartments surrounding the intermembrane compartment, itself surrounding the cathode compartment.
  • Such a geometry also makes it possible to produce reactors where the volume of the anode compartments is much greater than that of the cathode compartment.
  • the second anode compartment also called abiotic compartment
  • the first anode compartment also called biotic compartment.
  • a lower volume allows the pH of the abiotic compartment to drop more quickly when a current flows between the abiotic anode and the cathode and to maximize the transfer of protons to the inter-membrane compartment.
  • the cathode compartment advantageously includes a port for injecting CO2 or carbonaceous substances, such as acetate, propionate, bicarbonate, carbonic acid, syngas, ethanol, or a mixture of these.
  • CO2 or carbonaceous substances such as acetate, propionate, bicarbonate, carbonic acid, syngas, ethanol, or a mixture of these.
  • the intermembrane compartment advantageously includes a port for withdrawing the synthesized molecules.
  • the electrolytes of the cathode compartment and of the first anode compartment comprise solutions having a pH of between 5 and 9,
  • the electrolyte of the second anode compartment comprises a saline solution having a pH less than or equal to 4 .
  • the electrolytes of the cathode compartment and of the first anode compartment have a conductivity of between 0.1 S / m and 10 S / m, preferably between 0.5 S / m and 4 S / m;
  • the intermembrane compartment and the second anode compartment contain saline solutions with conductivity greater than 1 S / m, preferably greater than 5 S / m.
  • the operating conditions may be different from one anode compartment to another.
  • removable anodes that is to say replace a bio-anode by an abiotic anode or vice versa
  • the present invention also relates to the use of the reactor as described above, for the electrosynthesis of organic acids and / or alcohols from hydrolysed organic waste.
  • the invention also relates to a microbial electrosynthesis process by means of the reactor as described above, comprising, alternately or simultaneously with the application of a potential difference between the bio-anode and the bio-cathode, the application of a potential difference between the abiotic anode and the bio-cathode, the potential difference applied between the abiotic anode and the bio-cathode being greater than the potential difference applied between the bio-anode and the bio-cathode.
  • the potential difference applied between the abiotic anode and the bio-cathode is advantageously between 0.1 V and 5 V and the potential difference applied between the bio-anode and the bio-cathode is between 0.1 V and 3 V.
  • Figure 1 is a schematic top view of an exemplary embodiment of the bioelectrochemical reactor according to the invention
  • Figure 2 is a sectional view of the reactor of Figure 1;
  • FIG. 3 is a diagram showing the potential at the bio-cathode and the production of acetic acid as a function of time by means of the bio-electrochemical reactor according to the invention.
  • FIG. 1 An example of a bio-electrochemical reactor according to the invention is shown diagrammatically in Figures 1 and 2 attached.
  • the reactor 1 as visible in FIG. 1, is in a cylindrical shape closed by an external wall 2. It contains, in its center, a cathode 3 housed in a cathode compartment 13 also cylindrical equipped with a port 10 d CO2 injection. Around this cathode compartment 13 is disposed a single intermembrane compartment 8 which is separated from the cathode compartment 13 by an anion exchange membrane 6.
  • the intermembrane compartment 8 is surrounded by the two anode compartments: on the one hand, the compartment anode 14 (first anode compartment) containing a biotic anode or bioanode 4, and on the other hand, the anode compartment 15 (second anode compartment) containing the abiotic anode 5.
  • These two anode compartments 14, 15 are separated from the compartment intermembrane 8 by a cation exchange membrane 7.
  • the set of two anode compartments 14, 15 has an annular shape surrounding the common intermembrane compartment and are separated from each other by separating walls 11, gas and gas tight liquids.
  • the anode compartment 14 containing the bio-anode 4 is equipped with a port 9 for injecting organic carbonaceous substrate.
  • a first potential difference 24 is applied between the cathode 3 and the bioanode 4, and a second potential difference 25 can be applied, if necessary, between the cathode 3 and the abiotic anode 5.
  • the two anode compartments 14 and 15 have identical volumes.
  • the volume of the second anode compartment 15 can be less than that of the first anode compartment 14.
  • the entire reactor is closed by a cover, not shown.
  • a reactor as described in Figures 1 and 2 is operated with the following operating conditions:
  • the abiotic anode 5 is immersed in an aqueous saline solution whose conductivity is greater than 1 S / m. All the mineral salts can be used except chlorides, to avoid the production of chlorine gas.
  • the electrolyte is a solution of sodium sulphate Na2S0 4 saturated, in the presence of sulfuric acid. The pH is 0.
  • Bio-anode 4 is immersed in an aqueous electrolyte whose conductivity is between 0.5 and 4 S / m and whose pH is between 5 and 9.
  • the electrolyte can be composed of a bacterial culture medium to phosphate buffer base, and closes at least one source of organic carbon, which can be a bio-waste.
  • the electrolyte of bio-anode 4 is, in the example presented here, composed of 12.5 g / L of Na 2 HP0 4 .7H 2 0, 3 g / L of KH 2 P0 4 , 0.5 g / L of NaCI, 1 g / L of NH 4 CI and 30 g / L of NaHC03., With daily injections of 10 to 20 mL of bio-waste hydrolyzate at approximately 120 g of COD (chemical oxygen demand) per liter.
  • COD chemical oxygen demand
  • the intermembrane compartment 8 contains an aqueous saline solution whose conductivity is greater than 1 S / m. All mineral or organic salts can be used.
  • the electrolyte of the inter-membrane compartment is composed of 35 g / L of KCI and 32.6 g / L of KH 2 P0 4 .
  • the intermembrane compartment 8 contains a saline solution whose conductivity is greater than 1 S / m. All mineral or organic salts can be used.
  • the electrolyte of the inter-membrane compartment is composed of 35 g / L of KCI and 32.6 g / L of KH 2 P0 4 .
  • the bio-cathode 3 is immersed in a saline solution whose conductivity is between 0.5 and 4 S / m and whose pH is between 5 and 9.
  • the saline solution can be composed of a bacterial culture medium with phosphate buffer base (here BMP medium modified with 30 g / L of NaHCOs) and is supplied with CO2, at a flow rate preferably greater than 0.5 ml / day.
  • the potential difference (ddp) 25 between the abiotic anode 5 and the bio-cathode 3 was 3V here and the ddp 24 between the biotic anode 4 and the bio-cathode 3 of 1V.

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Abstract

Réacteur (1) bio-électrochimique comportant au moins une bio-anode(4)et au moins une bio-cathode(3)immergées dans un électrolyte contenant des microorganismes respectivement dans un compartiment anodique(14), dénommé premier compartiment, et dans un compartiment cathodique(13), les compartiments anodique et cathodique étant séparés par au moins une membrane échangeuse d'ions, le premier compartiment anodique (14) comportant un port (9) d'introduction de substrat carboné organique, une première différence de potentiel (24) étant appliquée, en fonctionnement, entre la bio-anode (4) et la bio-cathode(3). Le réacteur comporte un second compartiment anodique (15) renfermant un électrolyte, dépourvu de microorganismes électro-actifs, dans lequel plonge une anode abiotique(5), une seconde différence de potentiel (25) pouvant être appliquée, en fonctionnement entre l'anode abiotique et la bio-cathode. Utilisation pour l'électrosynthèse microbienne à partir de bio-déchets.

Description

Réacteur bio-électrochimique comportant une bio-anode et une anode abiotique et son utilisation pour l’électrosynthèse microbienne
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention concerne le domaine bio-électrochimique, et concerne plus particulièrement les systèmes et les procédés de synthèse électrochimique mettant en œuvre des réacteurs bio-électrochimiques c’est-à-dire des dispositifs électrochimiques dont les électrodes, appelées bio-électrodes, sont au contact de microorganismes.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Ces réacteurs de synthèses bio-électrochimiques permettent notamment, à partir de déchets organiques, de produire des molécules organiques telles que des acides organiques et/ou des alcools.
En particulier, il a été mis au point récemment un tel dispositif bio- électrochimique, qui comporte à la fois une bio-anode et une bio-cathode, l’électrolyte du compartiment anodique ainsi que l’électrolyte du compartiment cathodique renfermant des microorganismes électro-actifs (WO2016/051064). Dans ce dispositif, l’activité de la bio-cathode est optimisée en vue de la production d’espèces chimiques particulières dans l’électrolyte, tels que des acides acétique, lactique et/ou propionique ou des alcools. Ces synthèses de molécules organiques par voie microbienne (dénommées électrosynthèses microbiennes) sont réalisées grâce à des bactéries électro-actives présentes à la surface de l’électrode ou dans le catholyte.
Un des problèmes actuels à résoudre est d’améliorer la fiabilité et durabilité de ces dispositifs bio-électrochimiques, en vue d’applications au stade industriel. Plus particulièrement, dans ces procédés d’électrosynthèse microbienne, le courant électrique est produit à partir de biodéchets, par oxydation des molécules organiques de ces déchets à la bio-anode. Ces procédés présentent un double intérêt, à la fois économique et écologique pour le traitement des biodéchets.
Cependant un des inconvénients est la dépendance de la disponibilité de ces biodéchets et la fluctuation de leur teneur en carbone organique. Une baisse de la DCO (Demande Chimique en Oxygène) de ces biodéchets conduit à une baisse du rendement de la cellule d’électrosynthèse microbienne.
BUTS DE L’INVENTION
Le but principal de l’invention est donc de proposer un moyen de lutter contre ces fluctuations de l’activité électrochimique du réacteur bio-électrochimique.
Un autre but de l’invention est de proposer un dispositif simple permettant de pallier les diminutions d’activité électrochimique du réacteur bio- électrochimique, de préférence inclus dans ledit réacteur et ne nécessitant pas de manipulations complexes de l’opérateur.
Un autre but de l’invention est de proposer un réacteur bio-électrochimique pouvant être opéré à grande échelle pour des applications au stade industriel. Un autre but de l'invention est de proposer un réacteur bio-électrochimique, comportant une bio-anode et une bio-cathode, pouvant être utilisé en tant que réacteur d'électrosynthèse microbienne permettant d'optimiser encore la récupération des molécules organiques synthétisées, telles que des acides carboxyliques.
DESCRIPTION DE L’INVENTION
A cet effet la présente invention concerne un réacteur bio-électrochimique comportant au moins une bio-anode et au moins une bio-cathode immergées dans un électrolyte contenant des microorganismes respectivement dans un compartiment anodique, dénommé premier compartiment, et dans un compartiment cathodique, les compartiments anodique et cathodique étant séparés par au moins une membrane échangeuse d’ions, le premier compartiment anodique comportant un port d’introduction de substrat carboné organique, une première différence de potentiel étant appliquée, en fonctionnement, entre la bio-anode et la bio-cathode,
caractérisé en ce qu’il comporte un second compartiment anodique renfermant un électrolyte, dépourvu de microorganismes électro-actifs, dans lequel plonge une anode abiotique, une seconde différence de potentiel pouvant être appliquée, en fonctionnement entre l’anode abiotique et la bio-cathode.
Au sens de l’invention, une «bio-électrode» («bio-anode» ou «bio-cathode») est une électrode recouverte au moins en partie d’un biofilm bactérien comprenant des organismes électro-actifs, c’est-à-dire recouverte au moins sur une partie de sa surface immergée dans l’électrolyte par un biofilm bactérien. Selon un mode de réalisation, la totalité de la surface immergée de la bio-électrode est recouverte de biofilm. Alternativement, selon un autre mode de réalisation, une partie seulement de la surface de la bio-électrode est recouverte de biofilm. Dans ce dernier mode de réalisation, la surface recouverte de biofilm est suffisante pour générer l’activité recherchée, notamment dans le cas d’une oxydation de déchets organiques ou d’une synthèse bio-électrochimique.
Selon la présente invention, l’ajout de cette électrode auxiliaire, l’anode abiotique, dans un second compartiment anodique, permet, lors d’un déficit en matière organique dans l’alimentation en substrat dans le premier compartiment anodique, de réaliser une oxydation de l’eau, ou de tout autre électrolyte, par application d’une seconde différence de potentiel entre ladite anode abiotique et la bio-cathode, c’est-à-dire sans arrêter le fonctionnement du réacteur bio- électrochimique.
De manière avantageuse, le second compartiment anodique est séparé du compartiment cathodique par au moins une membrane échangeuse d’ions. Selon un mode de réalisation préféré, les premier et second compartiments anodiques sont séparés du compartiment cathodique par, en allant de l’anode ou la bio-anode vers la bio-cathode, une membrane échangeuse de cations et une membrane échangeuse d’anions, lesdites membranes échangeuses de cations et d’anions étant séparées l’une de l’autre par un compartiment intermembranaire de collecte des molécules produites par le réacteur en fonctionnement. Ledit compartiment intermembranaire est avantageusement un compartiment unique, c'est-à-dire un compartiment commun disposé entre, d'une part, la ou les membranes cationiques des deux compartiments anodiques et, d'autre part, la membrane anionique du compartiment cathodique. Ainsi, lors de l’électrolyse de l’eau dans le second compartiment anodique, des protons sont générés. Ces protons peuvent ensuite migrer vers le compartiment intermembranaire via la membrane échangeuse de cations, contribuer ainsi à l'acidification de ce compartiment et augmenter la proportion d'acides carboxyliques non ionisés qui est la forme intéressante en vue d'une valorisation. Ainsi le réacteur selon l’invention permet d’optimiser la récupération des acides carboxyliques sous forme non dissociée dans le compartiment intermembranaire.
Le second compartiment anodique abiotique peut présenter un pH très acide sans risque de désactiver les microorganismes électro-actifs du premier compartiment anodique. L'acidité du second compartiment anodique est d'ailleurs entretenue par l'activité de l'anode abiotique qui génère des protons.
Dans le cas où le réacteur selon l’invention est un réacteur d’électrosynthèse microbienne, il comprend une anode non-biologique, dénommée anode abiotique, ainsi qu’une bio-anode qui est le support pour des bactéries électro- actives. Ces bactéries sont capables de dégrader des déchets organiques solubilisés et ainsi produire du courant électrique sur la bio-anode. D’autres bactéries électro-actives sur la bio-cathode du réacteur sont aptes à utiliser ce courant pour réduire le CO2 en acides organiques sous forme d’anions, tel que par exemple de réduire le CO2 en acétate. Les acides organiques synthétisés à la bio-cathode sous forme anionique, migrent au travers de la membrane anionique vers ledit compartiment intermembranaire. L’anode abiotique permet ainsi d’offrir des électrons à la bio-cathode avec la bio-anode, de continuer à produire du courant en carence de déchet organique, ainsi que de produire l’acidité dans le compartiment intermembranaire pour faciliter l’extraction des molécules produites par la bio-cathode (notamment des acides carboxyliques sous forme non-ionisée).
Selon un mode de réalisation avantageux, le réacteur peut se présenter sous une forme cylindrique, la bio-cathode étant disposée au centre du cylindre et étant entourée par, en allant vers l’extérieur, la membrane échangeuse d’anions, le compartiment intermembranaire et la membrane échangeuse de cations, les premier et second compartiments anodiques occupant chacun une portion de l’espace annulaire entourant la membrane échangeuse de cations, et étant séparés l’un de l’autre par une paroi étanche. Par paroi étanche on entend ici une paroi séparatrice étanche à tout fluide, ne laissant passer ni les gaz, ni les liquides.
Cette disposition particulière cylindrique présente l’avantage d’un réacteur compact, les compartiments anodiques entourant le compartiment intermembranaire, lui-même entourant le compartiment cathodique. Une telle géométrie permet également de réaliser des réacteurs où le volume des compartiments anodiques est bien supérieur à celui du compartiment cathodique. De préférence, le second compartiment anodique (aussi dénommé compartiment abiotique) présente un volume inférieur ou égal au premier compartiment anodique (aussi dénommé compartiment biotique). Un volume inférieur permet au pH du compartiment abiotique de descendre plus rapidement lorsqu'un courant circule entre l’anode abiotique et la cathode et de maximiser le transfert des protons vers le compartiment inter-membranaire.
Le compartiment cathodique comporte avantageusement un port d’injection de CO2 ou de substances carbonées, telles que l’acétate, le propionate, le bicarbonate, l’acide carbonique, le syngas, l’éthanol, ou un mélange de celles- ci.
Le compartiment intermembranaire comporte avantageusement un port de soutirage des molécules synthétisées.
Selon des modes de réalisation préférés du réacteur selon l’invention :
-les électrolytes du compartiment cathodique et du premier compartiment anodique comprennent des solutions présentant un pH compris entre 5 et 9,
-l’électrolyte du second compartiment anodique comprend une solution saline présentant un pH inférieur ou égal à 4.;
-les électrolytes du compartiment cathodique et du premier compartiment anodique présentent une conductivité comprise entre 0,1 S/m et 10 S/m, de préférence entre 0,5 S/m et 4 S/m ;
-le compartiment intermembranaire et le second compartiment anodique renferment des solutions salines de conductivité supérieure à 1 S/m, de préférence supérieure à 5 S/m.
Ainsi, les conditions de fonctionnement peuvent être différentes d'un compartiment anodique à l'autre. De plus, il n'est pas nécessaire d'avoir des anodes amovibles (c'est-à-dire remplacer une bio-anode par une anode abiotique ou inversement) pour passer d'un mode de fonctionnement biotique à un mode de fonctionnement abiotique, ou inversement. La présente invention concerne également l’utilisation du réacteur tel que décrit ci-dessus, pour l’électrosynthèse d’acides organiques et/ou d’alcools à partir de déchets organiques hydrolysés.
L’invention concerne également un procédé d’électrosynthèse microbienne au moyen du réacteur tel que décrit ci-dessus, comprenant, de manière alternée ou simultanée à l’application d’une différence de potentiel entre la bio-anode et la bio-cathode, l’application d’une différence de potentiel entre l’anode abiotique et la bio-cathode, la différence de potentiel appliquée entre l’anode abiotique et la bio-cathode étant supérieure à la différence de potentiel appliquée entre la bio-anode et la bio-cathode.
En particulier la différence de potentiel appliquée entre l’anode abiotique et la bio-cathode est avantageusement comprise entre 0,1 V et 5 V et la différence de potentiel appliquée entre la bio-anode et la bio-cathode est comprise entre 0,1 V et 3 V.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront dans la description ci-dessous d’exemples de réalisation, non limitatifs, en référence aux schémas annexés, dans lesquels :
La figure 1 est une vue de dessus schématique d’un exemple de réalisation du réacteur bio-électrochimique selon l’invention ; La figure 2 est une vue en coupe du réacteur de la figure 1 ;
La figure 3 est un diagramme montrant le potentiel à la bio-cathode et la production d’acide acétique en fonction du temps au moyen du réacteur bio- électrochimique selon l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE
Un exemple de réacteur bio-électrochimique selon l’invention est schématisé sur les figures 1 et 2 annexées. Le réacteur 1 , tel que visible sur la figure 1 , se présente sous une forme cylindrique fermé par une paroi externe 2. Il renferme, en son centre, une cathode 3 logée dans un compartiment cathodique 13 également cylindrique équipé d'un port 10 d'injection en CO2. Autour de ce compartiment cathodique 13, est disposé un compartiment intermembranaire 8 unique qui est séparé du compartiment cathodique 13 par une membrane échangeuse d'anions 6. Le compartiment intermembranaire 8 est entouré par les deux compartiments anodiques : d'une part, le compartiment anodique 14 (premier compartiment anodique) renfermant une anode biotique ou bio-anode 4, et d'autre part, le compartiment anodique 15 (second compartiment anodique) renfermant l'anode abiotique 5. Ces deux compartiments anodiques 14, 15 sont séparés du compartiment intermembranaire 8 par une membrane échangeuse de cations 7. L'ensemble des deux compartiments anodiques 14, 15 présente une forme annulaire entourant le compartiment intermembranaire commun et sont séparés l'un de l'autre par des parois séparatrices 11 , étanches aux gaz et aux liquides. Le compartiment anodique 14 renfermant la bio-anode 4 est équipé d'un port 9 d'injection de substrat carboné organique.
En fonctionnement, une première différence de potentiel 24 est appliquée entre la cathode 3 et la bio-anode 4, et une seconde différence de potentiel 25 peut être appliquée, en cas de nécessité, entre la cathode 3 et l'anode abiotique 5.
Sur l'exemple représenté à la figure 1 , les deux compartiments anodiques 14 et 15 ont des volumes identiques. En variante, selon la disposition des parois séparatrices 11 , le volume du second compartiment anodique 15 peut être inférieur à celui du premier compartiment anodique 14.
L'ensemble du réacteur est fermé par un couvercle non représenté.
Exemple de réalisation
Un réacteur tel que décrit aux figures 1 et 2 est mis en œuvre avec les conditions de fonctionnement suivantes :
L’anode abiotique 5 est immergée dans une solution aqueuse saline dont la conductivité est supérieure à 1 S/m. Tous les sels minéraux peuvent être utilisés sauf les chlorures, pour évider la production de gaz chlore. Dans l’exemple présenté ici l’électrolyte est une solution de sulfate de sodium Na2S04 saturée, en présence d’acide sulfurique. Le pH est de 0. La bio-anode 4 est immergée dans un électrolyte aqueux dont la conductivité est comprise entre 0,5 et 4 S/m et dont le pH est compris entre 5 et 9. L’électrolyte peut être composé d’un milieu de culture bactérienne à base de tampon phosphate, et referme au moins une source de carbone organique, qui peut être un bio-déchet. L’électrolyte de la bio-anode 4 est, dans l’exemple présenté ici, composé de 12,5 g/L de Na2HP04.7H20, 3 g/L de KH2P04, 0,5 g/L de NaCI, 1 g/L de NH4CI et 30 g/L de NaHC03., avec des injections quotidiennes de 10 à 20 mL d’hydrolysat de bio-déchets à environ 120 g de DCO (demande chimique en oxygène) par litre.
Le compartiment intermembranaire 8 renferme une solution aqueuse saline dont la conductivité est supérieure à 1 S/m. Tous les sels minéraux ou organiques peuvent être utilisés. Dans l’exemple, l’électrolyte du compartiment inter-membranaire est composé de 35 g/L de KCI et 32,6 g/L de KH2P04.
Le compartiment intermembranaire 8 renferme une solution saline dont la conductivité est supérieure à 1 S/m. Tous les sels minéraux ou organiques peuvent être utilisés. Dans l’exemple, l’électrolyte du compartiment inter- membranaire est composé de 35 g/L de KCI et 32,6 g/L de KH2P04.
La bio-cathode 3 est immergée dans une solution saline dont la conductivité est comprise entre 0,5 et 4 S/m et dont le pH est compris entre 5 et 9. La solution saline peut être composée d’un milieu de culture bactérienne à base de tampon phosphate, (ici milieu BMP modifié avec 30 g/L de NaHCOs) et est alimentée avec du CO2, selon un débit de préférence supérieur à 0,5 mL/jour.
La différence de potentiel (ddp) 25 entre l’anode abiotique 5 et la bio-cathode 3 était ici de 3V et la ddp 24 entre l’anode biotique 4 et la bio-cathode 3 de 1V.
Dans ces conditions de fonctionnement, la courbe présentée à la figure 3 montre qu’une concentration en acide acétique importante, atteignant près de 30 g/L après 25 jours de fonctionnement a pu être obtenue.

Claims

REVENDICATIONS
1. Réacteur (1 ) bio-électrochimique comportant au moins une bio-anode (4) et au moins une bio-cathode (3) immergées dans un électrolyte contenant des microorganismes respectivement dans un compartiment anodique (14), dénommé premier compartiment, et dans un compartiment cathodique (13), les compartiments anodique et cathodique étant séparés par au moins une membrane échangeuse d’ions, le premier compartiment anodique (14) comportant un port (9) d’introduction de substrat carboné organique, une première différence de potentiel (24) étant appliquée, en fonctionnement, entre la bio-anode (4) et la bio-cathode (3),
caractérisé en ce qu’il comporte un second compartiment anodique (15) renfermant un électrolyte, dépourvu de microorganismes électro-actifs, dans lequel plonge une anode abiotique (5), une seconde différence de potentiel (25) pouvant être appliquée, en fonctionnement entre l’anode abiotique et la bio- cathode.
2. Réacteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le second compartiment anodique (15) est séparé du compartiment cathodique (18) par au moins une membrane échangeuse d’ions.
3. Réacteur selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les premier et second compartiments anodiques sont séparés du compartiment cathodique (13) par, en allant de l’anode abiotique ou la bio- anode vers la bio-cathode (3), une membrane échangeuse de cations (7) et une membrane échangeuse d’anions (6), lesdites membranes échangeuses de cations et d’anions étant séparées l’une de l’autre par un compartiment intermembranaire (8) de collecte des molécules produites par le réacteur en fonctionnement.
4. Réacteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit compartiment intermembranaire est un compartiment unique.
5. Réacteur selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce qu’il se présente sous une forme cylindrique, la bio-cathode (3) étant disposée au centre du cylindre et étant entourée par, en allant vers l’extérieur, la membrane échangeuse d’anions (6), le compartiment intermembranaire (8) et la membrane échangeuse de cations (7), les premier et second compartiments anodiques occupant chacun une portion de l’espace annulaire entourant la membrane échangeuse de cations, et étant séparés l’un de l’autre par une paroi étanche.
6. Réacteur selon l’une quelconque des revendications 3 ou 5, caractérisé en ce que le compartiment cathodique comporte un port (10) d’injection de CO2 ou de substances organiques carbonées et le compartiment intermembranaire (8) un port de soutirage des molécules synthétisées.
7. Réacteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second compartiment anodique (15) présente un volume inférieur ou égal au premier compartiment anodique (14).
8. Réacteur selon l’une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que les électrolytes du compartiment cathodique (13) et du premier compartiment anodique (14) comprennent des solutions présentant un pH compris entre 5 et 9, l’électrolyte du second compartiment anodique comprenant une solution saline présentant un pH inférieur ou égal à 4.
9. Réacteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les électrolytes du compartiment cathodique (13) et du premier compartiment anodique (14) présentent une conductivité comprise entre 0,1 S/m et 10 S/m, de préférence entre 0,5 S/m et 4 S/m.
10. Réacteur selon l’une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que le compartiment intermembranaire (8) et le second compartiment anodique (15) renferment des solutions salines de conductivité supérieure à 1 S/m, de préférence supérieure à 5 S/m.
11. Utilisation du réacteur selon l’une quelconque des revendications précédentes pour l’électrosynthèse d’acides organiques et/ou d’alcools à partir de déchets organiques hydrolysés.
12. Procédé d’électrosynthèse microbienne au moyen du réacteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant, de manière alternée ou simultanée à l’application d’une différence de potentiel entre la bio-anode et la bio-cathode, l’application d’une différence de potentiel entre l’anode abiotique et la bio-cathode, la différence de potentiel appliquée entre l’anode abiotique et la bio-cathode étant supérieure à la différence de potentiel appliquée entre la bio-anode et la bio-cathode.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la différence de potentiel appliquée entre l’anode abiotique et la bio-cathode est comprise entre 0,1 V et 5 V et la différence de potentiel appliquée entre la bio-anode et la bio- cathode est comprise entre 0,1 V et 3 V.
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