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Contexte

Le développement de technologies de production d’hydrogène vert constitue un enjeu majeur pour répondre aux besoins futurs de la filière mobilité H₂ et autres filières de production de gaz verts. En complément des technologies de références d’électrolyse, les procédés biologiques, basés sur la transformation de la matière organique, constituent une solution alternative pour produire de l’H₂ avec un faible impact environnemental. Les bioprocédés sont adaptés aux biomasses résiduaires (biodéchets, résidus agricoles, biomasses à vocation énergétique, eaux usées urbaines et agro-industrielles) et permettent donc, en sus de la production d’H₂, de traiter et valoriser des sous-produits, ceci contribuant au développement d’une bioéconomie à l’échelle territoriale. Parmi les biotechnologies les plus avancées, la fermentation sombre est un bioprocédé qui met en œuvre des microorganismes pour convertir la biomasse complexe en H₂. Elle est associée aux filières de traitement biologique, i.e. la méthanisation, qui ont connu ces dernières années un très fort développement industriel et bénéficient désormais d’un maillage territorial important sur le territoire français. Les procédés de fermentation représentent donc une voie potentielle d’innovation tant en traitement qu’en valorisation de la biomasse organique.

De nos jours, les efforts de recherche en fermentation se concentrent sur le développement de bioprocédés ayant des performances stables malgré la complexité des résidus organiques traités. En effet, au regard de la nature complexe et variable des intrants organiques et de leur impact sur le fonctionnement des microorganismes et du bioprocédé, il est nécessaire d’approfondir nos connaissances sur les interactions existant entre intrants organiques et microorganismes fermentaires, sous contrainte des paramètres opératoires du bioprocédé.

L’objectif de ce projet de thèse consiste à caractériser les ressources mobilisables pour la production de biohydrogène par fermentation afin de s’adapter aux différentes filières de traitement des déchets et d’en estimer leur potentiel en fonction des conditions locales d’approvisionnement. Pour cela, la méthodologie consistera à (i) estimer le potentiel de production d’H₂ par fermentation sur différents types de déchets, testé individuellement ou en mélange, et (ii) déterminer les caractéristiques intrinsèques favorables à cette production pour en construire un modèle prédictif de mélange (recettage). Des stratégies de contrôle du procédé par recettage d’intrants pourront alors être élaborées. Une fois optimisées, les performances du bioprocédé seront évaluées à l’échelle pilote dans un environnement industriel simulé de traitement biologique de résidus organiques. Le projet de thèse apportera donc des réponses essentielles sur le potentiel et les limites de l’intégration de procédés de production d’H₂ par voie fermentaire sur substrats agricoles et agro-industriels, dans le cadre de filières de traitement/valorisation de déchets organiques.

Programme de thèse

Pour répondre aux objectifs du projet de thèse, le projet de thèse est réparti en 3 phases :

• Phase 1 : un screening sera réalisé à l’échelle laboratoire afin d’estimer les performances de production d’H₂ de différents intrants individuellement ou en mélange afin d’évaluer les effets synergiques ou antagonistes sur les voies de fermentation microbiennes. La caractérisation fine de ces substrats (analyse de spectres IR) permettra d’identifier les caractéristiques favorables à l’activité microbienne de production d’H₂. L’influence des conditions opératoires principales sera également évaluée. L’ensemble de ces travaux permettra d’élaborer un modèle prédictif innovant de mélange des intrants (recettage), pour la production de biohydrogène.
• La phase 2 portera sur l’élaboration de stratégies de contrôle/commande de bioprocédés fermentaires de laboratoire fonctionnant en mode continu, sur la base du modèle préalablement établi. Il s’agira d’étudier la stabilité du procédé fermentaire en faisant varier les mélanges d'intrants et d’évaluer l’impact sur le fonctionnement en continu du procédé. Des stratégies de contrôle/commande basées sur l’adaptation des mélanges d’intrants et sur des réinoculations microbiennes ciblées pourront alors être élaborées afin de garantir la stabilité des performances.
• Au cours de la phase 3, des expérimentations à l’échelle pilote (10 L-20 L) permettront d’estimer les paramètres influant sur le changement d’échelle dans des conditions d’environnement industriel simulées. Des essais permettront également d’évaluer l’impact de l’intégration d’un procédé de fermentation H₂ sur le rendement énergétique global d’une installation de traitement.

Déroulement du doctorat / Compétences

La thèse sera réalisée au Laboratoire de Biotechnologie de L’Environnement (LBE) de l’INRAe de Narbonne (https://www6.montpellier.inrae.fr/narbonne). Le LBE mène des recherches centrées sur le concept de la bioraffinerie environnementale en vue de valoriser les déchets liquides et solides en bioénergie, en biomolécules et en bioproduits. Dans ce cadre, il développe de nombreux travaux de R&D sur la méthanisation et est devenu un des leaders mondiaux dans ce domaine.

Pour mener à bien le projet de thèse, des compétences pluridisciplinaires seront mobilisées, en particulier en génie des bioprocédés (mise en œuvre, suivi et optimisation de bioréacteurs de fermentation H₂ et de méthanisation), en écologie microbienne (écoingénierie d’écosystèmes de fermentation, évaluation et optimisation de la robustesse d’écosystèmes microbiens). Les qualités/compétences également attendues sont : autonomie, rigueur, force de proposition, qualité rédactionnelle et maitrise de l’anglais.

Ce travail pluridisciplinaire sera encadré par 3 chercheurs du LBE : E. Trably (DR - HDR, compétence en génie microbioloque, écoingénierie des écosystèmes et écologie microbienne, R. Escudié (DR - HDR, compétence en Génie des Procédés), N. Bernet (DR - HDR, compétence en génie microbiologique). Il impliquera également des Ingénieurs d’ENGIE Lab CRIGEN : C. Richard (PhD – Ingénieure de Recherche Méthanisation), M. Jégoux (Ingénieure de Recherche Hydrogène), M. Juge (Cheffe de projet Biogaz).

Ce doctorat bénéficie du cofinancement du Défi-clé « Hydrogène vert » de la région Occitanie et d’ENGIE. Le démarrage de la thèse est prévu à l’automne 2021.

Contact

Eric Trably – eric.trably@inrae.fr

Renaud Escudié - renaud.escudie@inrae.fr

Charlotte Richard – charlotte.richard@engie.com

Marine Juge – marine.juge@engie.com

Date limite de candidature : 31/05/2021