Continuous Hydrogen Production from Syngas via the Biological Water-Gas Shift Reaction in a Trickle Bed Reactor: Effect of Nutrient Management, Inhibitors, and Hydraulic Retention Time

L'hydrogène est un carburant propre qui peut alimenter tout, des usines aux voitures, mais sa fabrication actuelle nécessite généralement de brûler des combustibles fossiles, ce qui contredit l'objectif même de son utilisation pour lutter contre le changement climatique. Les scientifiques cherchent des moyens de produire ce vecteur énergétique à partir de déchets et de sources renouvelables. Une méthode prometteuse consiste à prendre un mélange gazeux appelé syngas, riche en monoxyde de carbone, et à utiliser de minuscules organismes vivants pour le transformer. Ces microbes agissent comme des usines biologiques, consommant le monoxyde de carbone et libérant de l'hydrogène gazeux comme sous-produit. Ce processus, connu sous le nom de réaction de gaz à l'eau (water-gas shift) biologique, offre un moyen de transformer les gaz industriels résiduels en énergie propre sans avoir recours à une chaleur extrême ou à des produits chimiques coûteux. Cependant, maintenir ces usines microbiennes en fonctionnement fluide dans un flux continu est difficile, car les déchets qu'elles produisent peuvent finir par empoisonner les organismes mêmes qui effectuent le travail.

Des chercheurs de l'Université de Borås et de l'institut de recherche RISE de Suède ont entrepris de résoudre ce problème en construisant un réacteur spécialisé conçu pour garder les microbes heureux et productifs sur le long terme. Ils ont utilisé une communauté naturelle de microbes récoltée à partir de déchets alimentaires, plutôt qu'une seule espèce soigneusement sélectionnée, espérant que ce groupe diversifié serait plus robuste et plus adaptable. L'équipe a rempli une colonne verticale avec des morceaux d'éponge en polyéthylène, créant une surface pour que les microbes s'y accrochent, puis a fait couler un liquide riche en nutriments sur eux tout en poussant le syngas par le bas. Cette configuration a permis au gaz et au liquide de se rencontrer étroitement, donnant aux microbes la meilleure chance de consommer le monoxyde de carbone et de rejeter de l'hydrogène. L'objectif était de voir s'ils pouvaient maintenir ce processus en continu pendant des mois sans que le système ne s'arrête en raison de l'accumulation de sous-produits toxiques.

L'expérience a débuté par une phase de démarrage où l'équipe ajoutait des nutriments concentrés au système chaque semaine pour stimuler l'activité microbienne. Initialement, les microbes fonctionnaient bien, convertissant la quasi-totalité du monoxyde de carbone en hydrogène. Cependant, au fil des semaines, le système a commencé à éprouver des difficultés. Les chercheurs ont découvert que l'ajout répété de nutriments concentrés provoquait l'accumulation de certains métaux traces, comme le cuivre, à des niveaux des milliers de fois supérieurs à ce qui était prévu. Parallèlement, les microbes ont commencé à produire de grandes quantités d'acides gras volatils, un type d'acide organique qui peut être nocif en hautes concentrations. À mesure que ces acides s'accumulaient, la conversion du monoxyde de carbone chutait considérablement et la production d'hydrogène devenait instable. L'équipe a réalisé que, bien que les microbes aient besoin de nourriture, l'excès de "bonne chose" perturbait l'équilibre chimique de leur environnement.

Pour comprendre exactement ce qui tuait le processus, les chercheurs sont passés à une seconde phase où ils ont testé les effets d'inhibiteurs spécifiques. Ils ont introduit des versions synthétiques des acides gras et de l'éthanol, un type d'alcool, dans le réacteur pour voir lequel était le véritable coupable. Les résultats étaient clairs : les acides gras étaient bien plus dommageables que l'éthanol. Lorsque l'équipe a ajouté des niveaux élevés de ces acides, la conversion du monoxyde de carbone a chuté brutalement, et les microbes ne pouvaient pas récupérer rapidement même après le retrait des acides. L'éthanol avait un effet beaucoup plus faible, causant seulement une baisse temporaire de performance. Cela a confirmé que l'accumulation d'acides gras était la raison principale de l'échec du système, et que le simple remplacement occasionnel du liquide ne suffisait pas à maintenir le réacteur en bonne santé.

Dans la phase finale, l'équipe a changé de stratégie en se concentrant sur le contrôle de la durée pendant laquelle le liquide reste dans le réacteur, un facteur appelé temps de rétention hydraulique. Au lieu de simplement ajouter des nutriments périodiquement, ils ont configuré le système pour évacuer le liquide en continu, garantissant ainsi que les sous-produits nocifs soient éliminés avant qu'ils n'atteignent des niveaux toxiques. Ils ont également remplacé les anciens microbes et la garniture d'éponge par des matériaux neufs pour repartir sur une base saine. Cette approche a remarquablement bien fonctionné. En contrôlant le débit du liquide, l'équipe a maintenu un environnement stable où les acides gras ne s'accumulaient jamais à des niveaux dangereux. Le réacteur a atteint un taux de conversion parfait, transformant cent pour cent du monoxyde de carbone entrant en hydrogène pendant douze jours consécutifs. À un débit spécifique de douze millilitres par minute, le système produisait de l'hydrogène à un taux de 3,2 litres par litre de volume de réacteur chaque jour, avec un rendement de 0,66 mole d'hydrogène pour chaque mole de monoxyde de carbone consommée.

Les chercheurs ont également poussé le système dans ses retranchements pour découvrir quelle quantité de gaz il pouvait supporter. Ils ont progressivement augmenté le flux de syngas, surveillant attentivement le moment où les microbes ne pourraient plus suivre. Le réacteur est resté stable et a maintenu une conversion complète jusqu'à un débit de 26 millilitres par minute. Une fois qu'ils l'ont poussé à 28 millilitre par minute, le système ne pouvait plus convertir tout le monoxyde de carbone, et l'excès de gaz commençait à sortir du réacteur sans être traité. Cela a identifié une limite opérationnelle claire pour cette configuration spécifique. Tout au long de l'expérience, aucun méthane n'a été détecté, confirmant que le processus produisait strictement de l'hydrogène et ne dérivait pas vers d'autres types de production gazeuse.

En observant le monde microscopique à l'intérieur du réacteur, les chercheurs ont constaté que la communauté de microbes changeait radicalement selon la manière dont le réacteur était piloté. Dans les premières phases, le système était dominé par un groupe de bactéries, mais à mesure que les conditions changeaient vers l'environnement stable et contrôlé par le flux de la phase finale, un groupe différent a pris le dessus. Les nouvelles bactéries dominantes étaient des espèces de Stenotrophomonas et de Pseudomonas, qui étaient rares dans le mélange d'origine. Bien que l'équipe n'ait pas pu identifier précisément quels microbes spécifiques effectuaient l'essentiel de la conversion du gaz, le changement de la communauté suggérait que les conditions du réacteur sélectionnaient les travailleurs les plus efficaces. L'étude conclut que la gestion du flux de liquide pour prévenir l'accumulation de sous-produits toxiques est la clé pour faire fonctionner cette technologie de manière continue. Bien que le système ne soit pas encore une réalité commerciale, cette preuve de concept montre que l'utilisation de microbes dérivés de déchets dans un réacteur simple et non stérile est une voie viable pour produire de l'hydrogène propre à partir de gaz industriels résiduels.