Dynamic Modelling and Optimisation of Microbial Fuel Cells and Microbial Electrolysis Cells

La demande mondiale croissante d'énergie, les réserves limitées de combustibles fossiles et leurs impacts environnementaux sont toutes des motivations pour trouver de nouvelles technologies énergétiques. Pour remplacer les combustibles fossiles, il faudra diversifier les sources d'énergies, et ce, par l'innovation technologique. Ces technologies peuvent utiliser des ressources renouvelables ou non renouvelables, la première option étant beaucoup plus intéressante pour l'indépendance énergétique. Parmi les technologies renouvelables, il y a l'énergie solaire, les turbines éoliennes, l'hydroélectricité, les centrales marémotrices et l'utilisation de la biomasse. Dans un autre ordre d'idées, le traitement des déchets organiques et les résidus de la biomasse produite par l'activité humaine est un autre défi environnemental. Plus précisément, ce problème devient important avec des eaux usées, pour la conservation des ressources en eau douce. Le traitement des eaux usées exige des infrastructures importantes et utilise une grande quantité d'énergie. Cependant, les eaux usées peuvent être une source supplémentaire d'énergie. Bien qu'il y ait de la matière organique dans les eaux usées, celle-ci ne peut être récupérée par des procédés traditionnels car les concentrations sont faibles et leur composition est complexe. La plupart des technologies utilisent de l'énergie pour enlever cette matière organique de l'eau, tandis que d'autres, comme la digestion anaérobique, sont capables de produire de l'énergie renouvelable à partir de la matière organique disponible. Ces dernières sont les plus attrayantes, mais nécessitent souvent une étape de post-traitement aérobique (polissage) pour satisfaire les normes environnementales. Depuis peu, les cellules électrochimiques microbiennes sont une nouvelle option pour la production d'énergie à partir des eaux usées. Les cellules électrochimiques microbiennes sont des bioréacteurs qui ont une conception similaire à une pile à combustible : une anode et une cathode reliées par un circuit électrique. Ces réacteurs contiennent des microorganismes anaérobiques dans la chambre anodique, qui sont capables d'oxyder la matière organique et qui transfèrent des électrons à une électrode pendant l'opération. Ce système est appelé pile à combustible microbienne (MFC). Si les électrons et les protons résultant de l'oxydation de la matière organique réagissent spontanément avec l'oxygène dans la cathode du réacteur, il y aura production de courant électrique. Une autre possibilité est de forcer la réaction entre ces protons et des électrons dans une cathode anaérobique avec une tension électrique, ce qui conduit à la formation d'hydrogène. Les cellules électrochimiques microbiennes utilisées pour la production d'hydrogène sont appelées piles d'électrolyse microbiennes (MEC). Dans cette thèse, l'acronyme MxC sera utilisé pour se référer aux MFCs et MECs. Les MxCs sont capables de fonctionner avec une efficacité de Coulomb (la fraction d'électrons récupérés par rapport à la récupération maximale possible) supérieure à 90% et peut fonctionner à de faibles charges organiques, où la digestion anaérobique échoue en raison d'un faible taux de réaction. Ce qui éliminerait par le fait même l'étape de polissage. Même si les MxCs sont une technologie attrayante pour le traitement des eaux usées, beaucoup d'améliorations doivent être faites pour que cette technologie soit commercialement viable. L'une des principales limitations pour l'application industrielle des MxCs est leur faible densité de puissance et leur tension électrique basse. Par conséquent, des recherches intensives se concentrent sur l'amélioration des MxCs par le développement de nouveaux matériaux pour l'anode et la cathode, une meilleure conception du réacteur, et l'optimisation des conditions de fonctionnement. Un autre aspect important qui doit être pris en compte dans le fonctionnement des MxCs est la présence de différents types de microorganismes. Tout comme dans un réacteur à digestion anaérobique, une MxC utilisée pour le traitement des eaux usées contient toujours des populations microbiennes complexes à cause de la nature même de l'eau usée. Normalement, l'anode d'une MxC contient des microorganismes fermentatifs, méthanogènes, facultatifs et électrogènes. L'existence de plusieurs populations microbiennes affecte la performance de la cellule microbienne, car tous les microorganismes ont un impact sur la production d'électricité. En particulier, la compétition pour le même substrat (acétate) entre méthanogènes et électrogène affecte directement la génération de courant électrique. Les conditions d'opération peuvent également affecter l'équilibre entre les microorganismes méthanogènes et électrogènes. Une solution pour améliorer la performance des MxCs est d'identifier les principales étapes limitantes du système et de les améliorer. Cela peut être fait à l'aide d'un modèle mathématique qui permet de décrire la dynamique de la consommation de substrat, la croissance des microorganismes et la génération de produits (de l'électricité pour les MFCs et de l'hydrogène pour les MECs). Ce modèle peut être utilisé pour l'optimisation des processus, une meilleure compréhension des opérations et il pourrait aider à identifier les principales étapes limitantes d'une MxC. Malgré leur importance, il existe très peu de modèles pour les MFCs dans la littérature, tandis qu'aucun modèle pour les MEC est actuellement disponible. Le processus de transfert d'électrons (Andrew Kato Marcus, Torres, & Rittmann, 2007) et la production d'électricité (Y. Zeng, Choo, Kim, et Wu, 2010; X. C. Zhang & Halme, 1995) ont été modélisés mais n'ont pas pris compte de la compétition microbienne pour une source commune de carbone. Picioreanu et al. (2007; 2008) ont mis au point un modèle détaillé en 3 dimensions pour le biofilm anodique. L'objectif principal de ce modèle était d'analyser la formation du biofilm et la distribution des espèces au sein de celui-ci. Ce fut le premier modèle à prendre en compte les différentes populations microbiennes en compétition pour l'espace dans le biofilm et la consommation de substrat. Bien que les modèles de Zhang et Halme (1995), Marcus et al. (2007), et Zeng et al. (2010) simplifient beaucoup la dynamique du biofilm dans les MFCs, le modèle de Picioreanu et al. (2007; 2008) a fourni une description très détaillée des populations électricigènes et non-électricigènes dans le biofilm en utilisant des équations aux dérivées partielles, qui résulte en un calcul computationnel très long. Cette thèse argumente qu'un modèle plus simple constitué d'équations différentielles ordinaires peut décrire adéquatement les populations microbiennes dans les MFCs et les MECs à diverses conditions d'opération, sa génération de produits, et la consommation de substrat, tout en étant adapté à l'optimisation des processus et le contrôle de procédé. Cette thèse présente le développement de modèles pour les MFCs et MECs, capables de décrire la dynamique de la consommation de substrat, la croissance des microorganismes, et la génération de l'électricité (MFC) ou de H2 (MEC). En utilisant les équations différentielles ordinaires pour décrire la croissance de la biomasse et la consommation du substrat dans l'anode, des solutions numériques rapides ont été trouvées pour les deux modèles. Premièrement, un modèle pour les MFCs qui considère la compétition pour l'acétate entre les microorganismes électricigènes et méthanogènes acétoclastiques a été développé. Le modèle pour les MECs a été fondé avec les concepts présentés dans le modèle pour les MFCs. En incluant les microorganismes fermentatifs et hydrogenotrophique méthanogènes, le modèle de MEC a été en mesure de prédire la production d'hydrogène à partir de la dégradation des eaux usées. Les paramètres identifiables des deux modèles ont été estimés avec des résultats expérimentaux obtenus par des MFCs et MECs opérés en continu. De plus, en utilisant des données expérimentales indépendantes, les deux modèles ont été validés et ont réussi à décrire les résultats expérimentaux pour diverses conditions d'opération. Cette thèse présente également des analyses pour les deux modèles en ce qui a trait à l'optimisation des processus. Premièrement, des analyses ont démontré l'influence des conditions d'opération sur la production d'électricité et de H2 pour les deux modèles. Fait intéressant: le choix de résistance externe et de la tension appliquée (variables manipulées pour les MFCs et les MECs, respectivement) ont affecté significativement la composition microbienne du biofilm. Cet aspect a été analysé en détail pour le modèle des MFCs par une analyse de la composition du biofilm en régime permanent. Il a été montré que, selon le choix de la résistance externe, le biofilm d'une MFC peut présenter trois compositions différentes: (i) la coexistence de deux populations microbiennes ou; l'exclusion de l'une de ces populations microbiennes avec seulement (ii) les électricigènes ou seulement (iii) les méthanogènes présents. Suite à ce résultat, une comparaison entre la consommation de substrat dans les trois scénarios a été réalisée, la conclusion étant que la coexistence conduit toujours à une consommation minimale du substrat. La capacité de traitement des MFCs a ensuite été optimisée en plaçant deux réacteurs en série, qui a démontré une efficacité par rapport à un branchement en parallèle. La capacité de traitement optimale de cette unité a été démontrée dépendante de la concentration de l'influent et du choix de concentration de l'effluent. Enfin, des expériences utilisant une MFC alimentée en acétate ont été présentées pour confirmer qualitativement les effets de la résistance externe sur la composition du biofilm. La dernière partie de cette thèse présente un modèle unifié pour la MFC et la MEC, qui prend en compte la présence de microorganismes électricigènes et méthanogènes acétoclastiques dans le compartiment anodique, les différences entre les réactions de la cathode entre la MFC et la MEC étant représentées par le bilan électrochimique. Le modèle est d'abord analysé en termes de la composition du biofilm, qui est montrée dépendante du courant électrique du réacteur. Une fois de plus le biofilm a présenté une coexistence de microorganismes pour une petite gamme de courants d'opération. Enfin, une étude d'optimisation a été réalisée afin de maximiser l'électricité (MFC) ou la production de H2 (MEC), tout en respectant les exigences de traitement des eaux usées. Des expressions pour les productivités ont été déterminées pour les deux réacteurs. Également, des expressions analytiques pour les courants optimaux ont été développées, qui se sont montrés être les mêmes pour la MFC et la MEC. En plus, les optimums se sont montrés être dépendants de la résistance interne du réacteur. Enfin, une fonction alternative pour la productivité a été définie et analysé pour les MECs. Cette deuxième productivité est fonction de l'efficacité de la production de H2 et sa solution analytique optimale s'est montrée indépendante de la résistance interne du réacteur.