Les piles à combustible à micro-organismes

Plan national de formation, séminaire national 23-24 mai 2012, Paris Les piles à combustible à micro-organismes Alain BERGEL Laboratoire de Génie Chimique, CNRS alain.bergel@ensiacet.fr Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 1

Principe des piles à combustible (exemple H 2 /O 2 ) 4e- 4e- 4 4H + 4H + 2H 2 O 4 Un verrou essentiel LES CATALYSEURS ANODE 2H 2 Membrane O 2 CATHODE Densité de puissance nominale environ 7 kw/m 2, maximum de l ordre de 14 kw/m 2 Retenir 10 000 A/m 2 Photovoltaïque nominal environ 100 W/m 2. Retenir 100 A/m 2 Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 2

Qu est-ce que la vie? CO 2 Composé organique C 6 H 12 O 6 H + Energy to the cell Energy to the cell Energy to the cell Niveau d énergie H + O 2 H 2 O O 2 + 4H + + 4 2H 2 O La vie est une chaîne de réactions d oxydoréduction qui fournit l énergie chimique à la (aux) cellule(s) L oxygène est l une des possibilités pour l évacuation des électrons en bout de chaîne. Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 3

D autres accepteurs finaux d électrons Certains micro-organismes respirent les nitrates, sulphates, oxydes de fer CO 2 Composé organique C 6 H 12 O 6 H + Energy to the cell Energy to the cell Energy to the cell Niveau d énergie SO 4 2- S 2- SO 4 2- + 8H + + 8e- S 2- + 4H 2 O Sulphate reducing bacteria Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 4

et depuis 1999 Composé organique C 6 H 12 O 6 CO 2 H + Energy to the cell Energy to the cell Energy to the cell Anode respiring bacteria (ARB) ELECTRODE Le concept de bactérie électro-active a été découvert en 1999 avec des cellules en suspension Byung Hong Kim et al., Biotechnology Techniques 13 (1999) 475 478. Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 5

Catalyse par les biofilms microbiens: Anode Mer O 2 +4H + 2H 2 O C x H Y O z CO 2 Sédiments Tender et al., Nature Biotechnology 20 (2002) 821 Bond et al., Science 295 (2002) 483 Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 6

(A) µm Biofilms Microscopie à épifluorescence et reconstruction 3D Schéma BE µm Biofilm sauvage formé sur acier inoxydable superausténitique par 18 jours de polarisation à -0.1V/ECS en eau de mer. (B) 500 µm µm µm Microscopie électronique à balayage 10 µm B.Erable et al., Bioresource Technol.100 (2009) 3302 Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 7

PAC microbiennes benthiques Sediment MFC, benthic unattended generator (BUG) Resistor with connections to real-time monitoring devices Cathode to be positioned in the overlying water Anode to be buried in mud D.E.Lovley, Nature Reviews, Microbiology 4 (2006) 497 Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 8

PAC microbienne de laboratoire à 2 compartiments Culture pure (Geobacter sulfurreducens) D.R. Lovley, Microbe 1 (2006) 323 D.E. Lovley, Nature Reviews, Microbiology 4 (2006) 497 Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 9

PAC microbienne de laboratoire la plus utilisée PaCM dite à un seul compartiment (28 ml) avec cathode à air B.E. Logan Penn State university Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 10

PAC microbienne de laboratoire la plus utilisée e- 4H + Anode CO 2 H + acétate H + Cathode O 2 H 2 O Cathode à air (la cathode est l un des verrous de la technologie) Couche hydrophobe perméable aux protons Couche catalytique carbone/pt Collecteur électronique ANODE CH 3 CO 2 - + 2H 2 O 2CO 2 + 7H + + 8e CATHODE 2O 2 + 8H + + +8e 4H 2 O Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 11

Scaling-up PACM 12 modules de 3 m de haut chacun, volume total d environ 1 m 3 University of Queensland, J.Keller, K.Rabaey, in Foster's brewery in Yatala, Australia «Little is known about MFC performance at the site, other than solution conductivity was low, limiting current generation, and that excess biochemical oxygen demand in the wastewater leaving the anode chamber resulted in the buildup of excessive biofilm on the cathodes as the wastewater was exposed to air» B.E. Logan, Appl. Microbiol. Biotechnol. 85 (2010)1665-1671 Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 12

PAM microbiennes: Avantages Les électrodes sont en matériaux peu coûteux, le plus souvent graphite, carbone, parfois acier inoxydable Le catalyseur se développe et se maintient spontanément à partir de la microflore du milieu Les biofilms naturels contiennent une multitude de micro-organismes de natures différentes (familles, genres, espèces) et sont donc capables d oxyder (=utiliser comme combustible) une très grande variété de composés organiques (acétate, acides gras volatils, sucres, alcools ) Nombreuses technologies associées: capteur, électrolyseurs pour la production de H 2 et autres molécules, pour la dépollution, association au solaire Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 13

PAC microbiennes: Avantages From waste to power: N exigent pas de combustible pur (comme PEMFC) mais exploite directement les combustibles dans des matières organiques à bas coûts: sédiments marins, déchets industriels, effluents industriels et urbains, biomasse, lisiers Les PACM qui consomment de la matière organique constituent aussi des procédés de traitement des effluents Le CO 2 produit ne provient pas de ressource fossile Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 14

PAC microbiennes: Les applications prédites* Production d énergie électrique dans des sites éloignés des réseaux de distribution Production d énergie électrique sur des sites industriels et agricoles à partir des effluents Alimentation de capteurs distribués Alimentation de balises et instruments marins (piles benthiques) Domo-production d énergie électrique Recyclage des déchets organiques en station spatiales Alimentation de robots autonomes. * mais discutables Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 15

Un domaine en émergence exponentielle 200 150 ACL PAC / Micro-organismes 100 50 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 LGC 27 articles 6 brevets depuis 2008 Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 16

PAC microbiennes un peu de sérieux 6,7 W/m 2 ~15 A/m 2 B.E.Logan, Nat Rev Microbiol 7 (2009) 375-381 Densité de puissance normalisée par rapport à la surface de la cathode. Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 17

Les mécanismes fondamentaux Que se passe-t-il au sein d un biofilm électroactif? Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 18

Un nouveau concept: le transfert direct Du biofilm multi-espèces à la culture pure CO 2, H + e- Anode CO 2 H + Le micro-organisme adhère à l électrode Le transfert d électrons est réalisé par des molécules rédox Substrat membranaires (cytochromes) Substrat Tender et al., Nature Biotechnology 20 (2002) 821 Bond et al., Science 295 (2002) 483 Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 19

Transfert direct e- Anode CO 2 Le microorganisme adhère à l électrode Le transfert d électrons est réalisé par des médiateurs rédox membranaires (cytochromes) Cytochrome c avec heme c Fer porphyrine FUEL Organic matter Schéma de principe, fausses échelles Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 20

Pas si simple Transfert direct Proposed ET chain from Geobacter cells to anode Anode Organic matter CO 2 Cytoplasm = cell core Z.Du et al., Biotechnology Advances 25 (2007) 464 Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 21

Le transfert direct exige le contact cellule/électrode Existe-t-il des stratégies de transfert à distance? Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 22

Production d un médiateur électrochimique e- Anode Med Ox Med Re CO 2 Acetate Une molécule «médiateur rédox» est produite et excrétée par la cellule Example: T.H. Pham et al., Appl Microbiol. Biotechnol. 80 (2008) 985 d CH 3 COO - + 2 H 2 O 8 + 2 CO 2 + 7 H + 8 Med ox + 8 8 Med red dans la cellule 8 Med red 8 Med red diffusion dans le biofilm vers l électrode 8 Med red 8 Med ox + 8 sur la surface de l electrode 8 Med ox 8 Med ox diffusion dans le biofilm vers la cellule Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 23

Production d un médiateur électrochimique CO 2 acetate Le médiateur extracellulaire est produit par une espèce (Pseudomonas sp.) et utilisé par deux (identifiée comme Brevibacillus sp., gram+) CO 2 acetate Un tensio-actif est aussi produit qui facilite la solubilisation du médiateur phénazine hydrophobe T.H. Pham et al., Appl Microbiol. Biotechnol. 77 (2008) 1119 Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 24

Nanowires Some bacteria (Geobacter sp., Shewanella sp.) produce conductive nano-wires (pili) 3-5 nm diameter and up to 20 µm length electrical nano-wires which allow electron transfer to the electrode surface (?) or to the first layer of cells G. sufurreducens cell expressing pili (arrow) D.L. Lovley et al. Nature, June 23 2005 Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 25

Nanowires: Notion de réseau (A) SEM image of Synechocystis sp. PCC 6803 cultivated with CO 2 limitation and excess light. (B) STM imagery confirms that the extracellular appendages produced are highly electrically conductive, with morphological similarities to nanowires produced by S. oneidensis MR-1. (C) SEM image of P. thermopropionicum and M. thermoautotrophicus (arrow) in methanogenic cocultures showing nanowires connecting the two genera, as reported by Ishii et al. (12). (D) STM images confirm that these nanowires are highly conductive and composed of bundles of individual filaments. Y.A. Gorby et al., PNAS 103 July25 (2006) 11358 Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 26

Nanowires: electron transfert par hopping? e- H + CO 2 acetate Les cytochromes sont fixés dans la matrice extracellulaire le long des pili Les électrons sont transmis d un cytochrome oxydé vers le cytochrome réduit voisin A la surface de l électrode des cytochromes sont oxydés Biofilm Globalement le système se modélise par une diffusion apparente des électrons au sein du biofilm Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 27

ou par conduction électrique? acetate CO 2 fumarate succinate Biofilm pauvre en pili et de très faible conductivité Gold anode with a 50 µm nonconductive gap acetate CO 2 e- Biofilm dont la conductivité croît avec le temps Conductivité 5 ms/cm, abondance de pili N.S. Malvankar et al. Nature Nanotechnology, 6, sept. 2011, 573 Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 28

Nanowires: Un réseau de nano-filaments conducteurs? Une corrélation existe entre production de courant, la présence des pili et la conductivité, mais pas avec la concentration des cytochromes. Conductivité du réseau de pili (séparés des cellules et déposés sur l électrode) croit exponentiellement avec la décroissance de T (similaire aux métaux organiques de haute performance, alors que variation linéaire pour les métaux). N.S. Malvankar et al. Nature Nanotechnology, 6, sept. 2011, 573 Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 29

Vivre connecté: un mode de vie naturel des micro-organismes au sein des milieux hétérogènes? e- CO 2 H + Acétate I think we will find that it s a dominant lifestyle for microbes to live in an electrically connected community. BIOFILM Y. Gorby, Nature 449, 27 September 2007 Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 30

Technologies associées Photo-piles à combustible microbiennes Electrolyse pour la production de H 2 Production de molécules d intérêt Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 31

Des Plant MFC aux microbial solar cells Plant MFC: La plante capte CO 2 et la lumière et produit des exsudats qui servent de combustible à la pile microbienne enfouie dans le sol. Microbial solar cell: Même principe qui couple PAC microbienne et microalgues: les microalgues captent CO 2 et lumière pour fournir le combustible à la pile D.P.B.T.B. Strik et al., Trends in Biotechnology 29 (2011) 41-49 Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 32

Electrolyse de l eau: Procédé conventionnel DV > 1.23 V e- I e- ½ O 2 2H + H 2 DV équilibre = 1,23V (conditions standard) Tension pratique: 2V en milieu alcalin Puissance consommée = DV. I H 2 O 2H + Anode H 2 O ½ O 2 + 2H + + 2e- Cathode 2H + + 2e- H 2 Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 33

Electrolyse microbienne DV > 0,24 V (ph7,0) e- CO 2 H + e- Seule l anode est changée pour passer de l oxydation de l eau à l oxydation de matière organique (acétate) H 2 acétate 2H + Actuellement: 5 L/h/m 2 (11A/m 2 ) sous 0.8V de tension avec l oxydation de l acétate L. DeSilva Munoz et al. Electrochemistry Communications 12 (2010) 183-186 B. Erable et al., Brevet FR08 59023 (2008) Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 34

Electro-SYNTHESE microbienne (valorisation de CO 2 ) e- Molécule d intérêt e- Lorsque la molécule produite est un carburant, les chercheurs US ont introduit le concept de Electrofuel déchets ou CO 2 En utilisant un capteur photovoltaïque comme générateur, le rendement de production du biocarburant est supérieur à celui de la photosynthèse (micro-algues) D.Lovley, University of Massachusetts Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 35

ARPA-E programme du US Department of Energy: un exemple de réactivité The Department of Energy's new research agency is offering $100 million for the best ideas in the fields of electrofuels, carbon-capture technologies, and high-density battery storage. This is the second competition held by the Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), created in 2007. Avril 2010 - Le Département Américain de l'energie annonce le financement de 13 projets de recherche concernant les "Electrofuels" : biocarburants produits par bio-électrosynthèse, pour un budget global de 23 millions de dollars (appel à projets ARPA-E). Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 36

Piles à combustible microbiennes Quelques pistes au Laboratoire de Génie Chimique Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 37

Notion d ultra-microélectrodes (UME) Diffusion linéaire perpendiculaire à la surface Diffusion radiale autour du biofilm Electrode dont la taille est de l ordre d une couche de diffusion, ici comparable à l épaisseur du biofilm (diamètre < 50 µm) Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 38

Des pistes fondamentales: exemple UME La formation du biofilm autour d une ultra-microélectrode densifie le réseau de transfert d électrons et accroit les densités de courant Un facteur 2 par rapport aux meilleures performances publiées D.Pocaznoi et al., Energy & Environmental Science 5 (2012) 5287-5296 Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 39

Des pistes fondamentales: structuration du biofilm Culture pure de Geobacter sulfurreducens sur une cathode en acier e- Cathode Fumarate Succinate 10 µm Densité de courant évaluée par rapport à la surface couverte par les micro-organismes: 280 A/m 2 L.Pons, M.-L.Délia, A.Bergel, Bioresource Technology 102 (2011) 2678 2683 Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 40

Remerciements Régine BASSEGUY Marie-Line DELIA Luc ETCHEVERRY Benjamin ERABLE L ensemble des doctorants et post-doctorants qui ont travaillé sur les thématiques corrosion microbienne et pile microbienne, en particulier Maha MEHANNA, Liz PONS et Diana POCAZNOI dont j ai présenté certains résultats Les partenaires «historiques» CNR de Gênes (Alfonso MOLLICA) CEA Saclay (Damien FERON) Les partenaires des projets EA-Biofilms (PCRDT), Bactériopile (ANR), Agri-Elec (ANR), DéfiH12 (ANR), Biorare (Investissement d avenir), Biocatinox (ANR). Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 41

Merci pour votre attention Alain BERGEL Plan National de Formation, séminaire national, 23-24 mai 2012, Paris 42