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 a 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.
Toutefois il reste des verrous à lever aussi bien techniques que scientifiques. C’est l’objectif du projet de recherche interdisciplinaire Ec’eau-prod financé par la région PACA et dans lequel s’inscrit le travail de thèse proposé ici.
Le laboratoire M2P2 (génie des procédés) et le laboratoire BIP (microbiologie, biologie moléculaire) sont impliqués conjointement dans l’encadrement de ce travail doctoral.
L’objectif de ce travail de thèse sera de dimensionner un bioréacteur à biofilm continu, capable d’accueillir, en laboratoire et dans des conditions contrôlées, un consortium bactérien sélectionné afin de répondre aux exigences de rendements en termes d’épuration des eaux usées et de production d’hydrogène.
L’évolution du consortium bactérien, dans le temps et l’espace, devra être suivis 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 acroscopiques typiques d’une approche de génie des procédés permettra d’appréhender et d’optimiser le fonctionnement du bioréacteur.
Une étude expérimentale à l’échelle de la cellule et 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 (ie 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.
Le candidat devra avoir une formation en génie biologique et/ou génie des procédés (diplôme d’ingénieur ou Master). Une expérience en génie des réacteurs et/ou en modélisation et/ou en techniques d’analyses biologiques/chimiques (microscopie, chromatographie, PCR,…)serait un plus.
