BIOelectrosynthèse pour le Raffinage des déchets Residuels

L'industrie chimique est fortement dépendante des ressources pétrochimiques. La fabrication de produits fonctionnellement équivalents à partir de ressources renouvelables est aujourd'hui nécessaire. Toutefois, la nature des ressources renouvelables mobilisées joue un rôle décisif dans le bilan environnemental des filières de production. L'utilisation de déchets organiques en tant que ressource présenterait un bénéfice environnemental certain tout en donnant accès à une matière première renouvelable peu couteuse et disponible en abondance. Ces déchets sont toutefois hétérogènes, complexes, contaminés. Ces caractéristiques constituent des verrous majeurs pour une utilisation en bioraffinerie.

Le projet BIORARE a permis d'évaluer une nouvelle technologie de rupture qui vise à produire des molécules plate-forme destinées à la chimie verte à partir de déchets organiques, de CO₂  et d’électricité renouvelable. Cette technologie repose sur les propriétés de microorganismes électroactifs mis en œuvre au sein de réacteurs bioélectrochimiques, ce qui lui confère plusieurs avantages décisifs :

-           Le traitement des déchets à la bioanode est physiquement séparé (membrane) de la production de molécules à la biocathode. Il n’y a donc pas de contact entre les déchets et les molécules produites, ce qui facilite leur extraction, leur purification et garantit leur qualité.

-           L’activité microbienne est interfacée avec un circuit électrique que l’on peut réguler (courant, potentiel), ce qui permet d’orienter et de moduler l’activité métabolique des microbes pour la production des molécules d’intérêt.

-           Les rendements de conversion sont potentiellement très élevés.

Bien que très prometteuse, la technologie s'appuyait sur la découverte fondamentale toute récente du processus d'électrosynthèse microbienne. La technologie n'existait donc qu'à l'état de concept au démarrage du projet (TRL1). BIORARE visait à apporter les premières preuves de concept technologiques et à évaluer le potentiel industriel que représentait l'implantation de cette technologie au sein de filières de traitement de déchets par méthanisation, afin de tirer parti des infrastructures existantes et des flux disponibles sur ces installations (flux de matière organique, de CO₂, d'électricité, de chaleur). Outre les aspects scientifiques et technologiques, l'évaluation du potentiel de la technologie s'est aussi appuyée sur des critères environnementaux, économiques, règlementaires et d'acceptabilité. Pour cela, un consortium de 5 partenaires aux compétences complémentaires a été réuni : Irstea-HBAN, INRA?LBE, CNRS?LGC, Irstea?OPAALE et Suez?Cirsee.

Dans le cadre du WP1, les essais d’électrosynthèse sur des biocathodes réalisés la première année ont confirmé la possibilité d’obtenir de l’acétate par réduction de CO₂ en utilisant pour inoculum une culture mixte traitée thermiquement. Au cours des deux années suivantes, une procédure d'enrichissement et de préparation des inocula a permis d'augmenter les concentrations obtenues de plus d'un ordre de grandeur. Enfin, des stratégies en plusieurs étapes combinant électrosynthèse microbienne, production abiotique d'hydrogène et utilisation de l'hydrogène dans un contacteur gaz-liquide, fermentation et électro-fermentation ont été étudiées afin de diversifier le spectre de molécules produites. Ces travaux ont notamment conduit au dépôt d'un brevet et ont mis en évidence la possibilité de produire un panel de molécules allant d'acides carboxyliques (de C1 à C6, et potentiellement C8) à des mono- et di-alcools.

Au sein du WP2, l'aptitude de différentes sources de déchets organiques (biodéchets, boues primaires, boues biologiques, boues d’aération prolongée, ammonium) à fournir des électrons à une anode biologique a été évaluée en début de projet. Une procédure pour former des bioanodes a ensuite été élaborée permettant le transfert d'anodes efficaces à tous les partenaires du projet. Enfin, des travaux sur la géométrie des électrodes et sur la nature de l'anolyte ont permis d'optimiser les performances des bioanodes. Ils ont conduit à l'obtention de performances durables au-delà de 5 A/m² à partir d'une alimentation constituée d'hydrolysats de biodéchets.

Dans le cadre du WP3, des premiers réacteurs de type BIORARE, comportant à la fois une bioanode et biocathode ont été mis en place. Ces premiers essais ont mis en évidence la difficulté de synchroniser l'intensité des réactions biologiques aux deux électrodes. Cette difficulté a été résolue en imaginant des stratégies de conduite alternant contrôle potentiostatique et ampérométrique qui ont fait l'objet d'un dépôt de brevet. Ainsi, un premier dispositif BIORARE a pu être validé à l'échelle laboratoire sur plusieurs mois de fonctionnement avec une alimentation de biodéchets à l'anode et l'électrosynthèse d'acides carboxyliques à la cathode (TRL3). Ce travail a permis de mettre en évidence un des avantages décisifs de la technologie BIORARE : une consommation électrique 2 à 3 fois inférieure aux procédés concurrents d'électrosynthèse microbienne. Un pilote TRL4 de 15 L a ensuite été conçu avec une société d'ingénierie. Son fonctionnement a pu être validé en conditions représentatives (fonctionnement automatisé avec alimentation quotidienne de biodéchets), conduisant à un niveau de performance très satisfaisant : densité de courant atteignant 8 A/m², consommation électrique inférieure à 1W et concentrations en acides de plus de 8 g/L.

Au sein du WP4, un travail d'analyse et de modélisation des impacts environnementaux d'une future filière de méthanisation comportant la technologie BIORARE a été mené. Les paramètres clés du bilan environnemental ont été identifiés et leur influence analysée, permettant de faire apparaître une réponse non linéaire de certains impacts à des paramètres tels que la densité de courant ou le taux d'hydrolyse de la matière organique. La filière BIORARE a été comparée à un scenario de référence de traitement de déchets par méthanisation associé à une production biosourcée de molécule plate-forme, ainsi qu'à un scenario de transition s'appuyant sur une production par électrosynthèse microbienne seule. La comparaison a porté sur la production de bioéthanol et d'acide succinique. Malgré les incertitudes liées la faible maturité technologique, les résultats montrent globalement que les bilans environnementaux sont favorables à la technologie BIORARE puisque dans une majorité de cas, le scenario incluant BIORARE est au moins équivalent ou sinon meilleur que les scenarios de référence ou de transition.

Dans le WP5, une analyse du contexte règlementaire a révélé qu'il n'y avait pas de freins majeurs à une mise sur le marché de molécules produites. Des signaux très encourageants ont été recueillis lors des premières enquêtes d'acceptabilité auprès de clients potentiels. Enfin, une étude de marché a été menée et les scenarii d'implantation industrielle de la technologie BIORARE ont été affinées, avec le développement d'un modèle et une réflexion plus approfondie sur le couplage des flux avec l'installation de méthanisation. Ces éléments ont permis de mieux cerner comment la quantité de déchets disponible déterminait les niveaux de production en molécules, et de comprendre que la technologie devait être positionnée sur les marchés de commodités de tonnage intermédiaire (de quelques dizaines à quelques centaines de kT par an à l'échelle nationale).

Le projet BIORARE a mobilisé 5 partenaires sur une durée de 5 ans et demi, et a bénéficié d'une aide de 2,2 M€. Il a conduit à la publication de 19 articles en journal scientifique international à comité de lecture, à 31 présentations et colloque et au dépôt de 3 brevets. En quelques années, à partir d'une découverte de nature fondamentale, BIORARE a permis (i) de donner vie à un concept technologique de rupture pour produire des molécules plate?forme à partir de déchets organiques, (ii) de poser des premiers jalons en terme de propriété intellectuelle, (iii) de réunir les éléments d'analyse permettant d'apprécier le la pertinence environnementale du concept et (iv) d'évaluer le potentiel de positionnement de la technologie sur le marché. Les résultats obtenus constituent des éléments clés dans le cadre d'une négociation en cours pour un projet de maturation technologique auprès d'investisseurs.