La diminution des réserves en énergies fossiles et la réalité des changements climatiques rendent urgente la recherche de nouvelles sources d'énergie. Si les limites des biocarburants dits de première génération commencent à être perçues (concurrence avec l’alimentation, pression sur l’environnement), un enjeu majeur de la recherche consiste à faire émerger des technologies innovantes, durables et respectueuses de l’environnement pour la production de biocarburants avancés (2G, 3G). Dans ce contexte, l’utilisation de la fraction organique des eaux usées comme substrat pour la production de biocarburant de 3ème génération (hydrogène) par voie bactérienne pourrait être une voie à privilégier. En effet, la quasi-totalité des usines de traitement des eaux usées font appel à une étape biologique au cours de laquelle des bactéries oxydent les matières organiques complexes, entrainant ainsi la purification des eaux. Cependant, le procédé de traitement le plus largement utilisé, le procédé boue activée, est connu pour son coût énergétique important.
En effet, l’aération du bioréacteur, lieu de l’oxydation des matières organiques, représente plus de 50% du coût énergétique global de la station d’épuration. Alors que la mise en œuvre rationnelle et dans des conditions contrôlées d’anaérobie (absence d’aération) de microorganismes vivants, permettrait la production d’un vecteur énergétique vert, le dihydrogène, à partir de la fraction organique de ces eaux.
Ce concept offre le double intérêt de réduire la facture énergétique du traitement des eaux usées tout en proposant une ressource organique secondaire non concurrentielle, à l’inverse des plantations agricoles, pour la production d’énergie. Dans ce cas, la mise en place d’un tel procédé permettrait de réaliser des stations d’épurations à énergie positive en couplant le traitement des polluants organiques par biorémédiation à la production de biohydrogène. L’aboutissement d’un tel projet repose sur le décryptage des métabolismes impliqués et des interactions intercellulaires au sein d’un consortium pouvant influencer le comportement global du bioréacteur. La réussite d’un tel projet repose sur le développement d’une approche interdisciplinaire associant le génie des procédés, le génie métabolique et la microbiologie. En effet, ce sujet s’intègre dans un projet pluriannuel d’étroite collaboration entre les laboratoires de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres (M2P2, UMR 7340) et le laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (BIP UMR 7218) afin d’associer les compétences citées.
L’objectif de ce travail de thèse sera d’étudier le comportement de différents consortia bactériens (synthétiques ou naturels) au sein d’un bioréacteur à biofilm continu à différentes échelles afin de déchiffrer les paramètres biotiques et abiotiques influençant la production d’hydrogène par le procédé de fermentation sombre.
L’étude sera menée, d’une part, sur des dispositifs microfluidiques permettant la compréhension fine des processus biologiques impliqués et les interactions intercellulaires mises en place au sein du biofilm formé. D’autre part, l’étude expérimentale d’un bioréacteur à biofilm continu permettra d’optimiser les processus à l’échelle laboratoire pour envisager le changement d’échelle du procédé.
L’évolution du consortium bactérien, dans le temps et l’espace, devra être suivie à l’aide de techniques d’analyses microbiologiques, chimiques et d’imagerie pour la détermination des produits du métabolisme, l’identification cellulaire, etc. En parallèle, l’utilisation de méthodes plus macroscopiques typiques d’une approche de génie des procédés permettra d’appréhender et d’optimiser le fonctionnement du bioréacteur.
Cette étude expérimentale multi-échelle, de l’échelle de la cellule à celle du réacteur, permettra la compréhension des processus biologiques et physicochimiques mis en jeu dans les transferts de matières au sein du bioréacteur. Il s’agira de déterminer les voies métaboliques impliquées dans les processus mis en jeu et l’influence de l’environnement sur ces dernières (i.e. composition du milieu, interactions cellulaires…).
Les résultats obtenus permettront d’ajuster et d’optimiser les paramètres de procédé afin d’obtenir simultanément les meilleurs rendements et les meilleures cinétiques de conversion et d’alimenter un modèle de comportement dans un objectif de changement d’échelle.
L’enjeu étant d’optimiser la production d’hydrogène tout en permettant l’épuration des eaux usées avant rejet dans l’Environnement.
A cette fin, une approche par la simulation de procédés pourra être proposée afin d’affiner la filière de traitement.
Profil recherché :
Le (la) candidat(e), diplômé(e) de Master ou Ecole d’Ingénieur, devra avoir de solides compétences en génie des procédés et/ou génie biologique. Des connaissances en microfluidique ou simulation de procédé ou microbiologie seraient appréciées. Le projet étant l’objet d’une collaboration, le (la) candidat(e) devra avoir de bonnes qualités de communication, une expérience de conduite de projet interdisciplinaire serait un plus.
Financement : Bourse MESR
Contact : Audrey Soric, M2P2
audrey.soric@centrale-marseille.fr, +33 4 13 55 40 82
