PRODUCTION ALTERNATIVE D ELECTRICITE PAR VOIES BIOLOGIQUES ET BIO-INSPIREES : LES BIOPILES

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1 PRODUCTION ALTERNATIVE D ELECTRICITE PAR VOIES BIOLOGIQUES ET BIO-INSPIREES : LES BIOPILES Du 27 au 29 octobre 2014-La Grande Motte (34). La production d énergie devient un enjeu majeur et l impact sur l environnement de la combustion de sources d énergie fossile oblige à trouver d autre mode de production. Les piles à combustible permettent la production d électricité à partir de carburant comme l hydrogène ou le méthanol. Mais d autres dispositifs alternatifs peuvent être envisagés : ils s inspirent des mécanismes développés dans le monde biologique, il s agit des biopiles. Dans une biopile, la catalyse est assurée par des bioéléments ; des enzymes rédox pour les biopiles enzymatiques ou des micro-organismes (bactéries, algues, levures ) pour les biopiles microbiennes. La communauté scientifique s est déjà structurée en 2012 autour de deux GDR (GDR Biopile n 3540 et GDR Procédés Biologiques et Bioinspirés pour l Energie - PROBBE). Dans l objectif de renforcer encore l interdisciplinarité, de développer la structuration de la recherche dans ce domaine, la création d une école thématique sur ce sujet a semblé nécessaire. Elle vise à apporter dans le cadre d une formation, les connaissances actuelles sur les biopiles et ouvrir, par l interaction entre des acteurs de disciplines différentes de nouvelles voies de recherche. Une des voies déjà ciblée dans cette école est la voie biomimétique pour la catalyse électrochimique. Les enjeux : Face aux enjeux futurs dans le domaine de l énergie et la nécessité d ouvrir de nouvelles voies exploratoires afin d élargir les possibilités de production d énergie, il est nécessaire de rassembler les acteurs et d engager la réflexion. Cette école thématique avait donc comme ambition de regrouper les informations actuelles sur les biopiles avec les acteurs nationaux sur ce domaines et aussi d engager une réflexion sur les pistes pour l avenir, avec notamment les perspectives offerte par les systèmes catalytiques bio-inspirés ; Le domaine des biopiles a émerger il y a quelques années et fait l objet maintenant de nombreux travaux. Il est donc nécessaire d apporter, par une formation, les connaissances dans le domaine, à la fois pour regrouper les différentes approches et aussi envisager une réflexion sur les perspectives espérées pour ces dispositifs. Cette école avait pour vocation d apporter les connaissances actuelles dans le domaine afin de pouvoir positionner cette thématique de recherche dans le contexte international. Cette école vient en appui du GDR 3540 sur les Biopile afin de renforcer la structuration nationale de cette thématique. Dans le contexte actuel de contrainte budgétaire et de limitation des moyens, l organisation et la structuration de la recherche est essentiel afin d optimiser les synergies possibles entre les acteurs. Objectifs de formation : Le choix de l école thématique sous l aspect formation était de communiquer sur les connaissances

2 actuelles dans le domaine des biopiles. A la lecture de la littérature scientifique, le constat est que de nombreux acteurs envisagent maintenant des applications dans ce domaine. Ces acteurs viennent d horizon varié et donc ce domaine d application se situe à la croisée des chemins de nombreuses disciplines. BILAN : Données chiffrées : 22 participants, 15 intervenants L introduction de l école faite par le Pr Plamen ATANASSOV actuellement professeur invité à l ICGM. Au total, 13 heures de formation réparties sur 4 demi-journées dans une formule résidentielle au club BELAMBRA de La Grande Motte. Le programme a été organisé autour de 3 axes : Biopiles enzymatiques Biopiles microbiennes Voies bio inspirés pour la catalyse électrochimique. Un questionnaire a été envoyé aux participants à l issue de la formation. Les premières analyses montrent que la qualité scientifique et organisationnelle de cette école a été remarqué. Le regroupement notamment de la communauté «enzymes» et «microbiens» semble présenter un intérêt. L ouverture de cette école vers les aspects catalyse bio inspirée a aussi permis d élargir encore le champ scientifique autour de la thématique biopile.. Biopiles enzymatiques : L utilisation d enzyme de type oxydo réductase dans un système électrochimique permet la catalyse des réactions anodiques et cathodiques d une pile. Le générateur électrochimique ainsi constitue peut donc produire de l électricité grâce à l oxydation d un carburant et la réduction d un comburant (l oxygène) (figure 1).

3 Figure 1 : schéma simplifié d une biopile enzymatique. Les enjeux important pour la construction de ces biopiles sont liées à la connexion électrique des enzymes aux électrodes. Pour cela des architectures moléculaires plus ou moins complexes peuvent être mise en place à la surface des électrodes. Deux voie de connexion sont possible : i) la voie médiée, faisant appel à un médiateur électrochimique capable de transferer les électrons de l enzyme vers l électrode ii) la voie directe où l enzyme communique électriquement avec la surface de l électrode (figure 2). Figure 2 : Transfert électronique entre une enzyme et une électrode modifiée par des nanotubes de carbones (extrait de la présentation de P. ATANASSOV) La catalyse de la réduction de l oxygène est une problématique majeure pour l efficacité d une biopile. Cette réaction est catalysée par des enzymes comme la laccase ou la bilirubine oxydase (figure 3). Figure 3 : Réduction électroenzymatique de l oxygène ; transfert direct, ou transfert médié (extrait de la présentation de P. ATANASSOV) L introduction de matériaux d électrode poreux a permis le développement de cathode à air, c est à dire capable de réduire l oxygène de l air et ainsi de s affranchir de la fiable solubilité de l oxygène dans l eau qui limite les dispositifs en solution. Coté anodique de nombreux exemples ont été présentés au cours de cette école (figure 4).

4 Figure 4 : Oxydation électroenzymatique sur une anode (extrait de la présentation de P. ATANASSOV) L importance des matériaux et du design des matériaux d électrode avec l utilisation de carbone poreux, de nanotube de carbone... a été largement décrit. Un des avantages importants des biopiles est la grande quantité de carburant utilisable pour la production de courant électrique. L hydrogène, à travers l utilisation de l enzyme hydrogénase, l alcool, les sucres sont autant de substrat possibles pour les biopiles. Les technologies de miniaturisation comme la microfluidique permettent aussi d envisager des micro dispositifs de production d énergie. Des exemples de biopile à glucose implantable ont aussi été présentés et montrent les tres fortes potentialités de ces dispositifs pour des applications biomédicales. Biopiles microbiennes : Une autre voie de construction de biopile fait appel à l utilisation de systèmes microbiens pour assurer la catalyse électrochimique. La capacité de certains micro organismes à former des biofilms électro actifs sur des surfaces conductrices a été largement démontré.

5 Figure 5 : Schéma d une biopile microbienne et d un biofilm electroactif (extrait de la présentation de A. BERGEL) Développé initialement pour l oxydation de composé à l anode des biopiles, les micro organismes sont aussi capables d assurer la réduction d espèces electro actives pour former une cathode microbienne. Ainsi, l association de deux électrodes microbiennes permet de mettre en œuvre un dispositif totalement microbien capable de produire de l électricité (figure 6). Figure 6 : Schéma d une biopile microbienne (extrait de la présentation de B. ERABLE) L apport des réactions cathodiques catalysées par des micro organismes a ouvert la voie à de nouvelles applications. Dans un premier temps la production d électricité peut être associée à d autre réaction de réduction que la réduction de l oxygène (voir l exemple du nitrate figure 7).. Figure 7 : Schéma d une biopile microbienne associée à la réduction des nitrates (extrait de la présentation de B. ERABLE)

6 Toutefois, une nouvelle voie prometteuse concerne l association d électrode microbienne et d électrolyse. Il s agit d utiliser les propriétés électro catalytiques mise en œuvre dans les biopiles pour les appliquer à la synthèse électrochimique de composés comme présenté sur la figure 8. Figure 8 : Schéma d un procédé electro microbien (extrait de la présentation de B. ERABLE) Voies bio inspirés pour la catalyse électrochimique. L étude des mécanismes catalytiques mis en jeu par les systèmes enzymatiques a permis de mettre en évidences les fonctions et complexes chimiques responsables de l activité catalytique. hydrogénase, enzyme capable d oxyder ou de produire de l hydrogène a été très largement étudiée. La figure 9 montre l enzyme ainsi que les deux formes principales responsables de la catalyse de l hydrogène. Figure 9 ; Hydrogénase et formule chimique du complexe du site actif (FeS et Ni Fe) (extrait de la présentation de V. ARTERO). A partir de ces études, des modèles chimiques ont été élaborés afin de miner le système catalytique. Des exemples de modèle sont donc proposer.

7 Figure 10 : Approche biomimétiques pour la production d hydrogène ) (extrait de la présentation de V. ARTERO) L apport de la chimie permet donc d envisager des systèmes biomimétiques efficaces, mimant l activité enzymatique. L application de tels systèmes dans des dispositifs de production d électricité (pile à combustible) est maintenant démontrée. Comme pour l hydrogène, des systèmes biomimétiques à base de porphyrine permettent la réduction électrocatalytique efficace de l oxygène. Figure 11 : Réduction de l oxygène : de l enzyme cytochrome oxydase au développement de catalyseurs (extrait de la présentation de B. JOUSSELME) L association des modèles catalytique d oxydation et de réduction pourrait permettre le développement de «bio» pile d un nouveau genre, totalement bio inspiré. Cette école a donc permis de réunir en un même lieu des acteurs dans le domaine des biopiles et de la catalyse pour la production d énergie électrique afin de présenter les avancées scientifiques et technologiques qui permettront dans l avenir le développement de source alternative d énergie.