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Électrométhanogénèse

L'électrométhanogénèse est une forme de production d'électrocarburant où le méthane est produit par conversion biologique directe du courant électrique et du dioxyde de carbone[1] - [2] - [3] - [4].

Les technologies de production de méthane ont suscité l'intérêt de la communauté scientifique dès le XXe siècle, mais l'électrométhanogénèse n'est devenue un domaine d'intérêt important qu'à partir de 2008. Les publications concernant la méthanation catalytique sont passées de 44 à plus de 130 depuis 2008[4]. L'électrométhanogénèse a suscité plus de recherches en raison de ses applications proposées. La production de méthane à partir de courant électrique peut fournir une approche au stockage d'énergie renouvelable[1] - [4]. Le courant électrique produit à partir de sources d'énergie renouvelables peut, par électrométhanogénèse, être converti en méthane qui peut ensuite être utilisé comme biocarburant[1] - [4]. Il peut également constituer avantageusement une méthode pour la capture du dioxyde de carbone qui peut être utilisé pour la purification de l'air[1].

Dans la nature, la formation de méthane se produit de manière biotique et abiotique[1] - [5] - [6]. Le méthane abiogène est produit à plus petite échelle et les réactions chimiques requises ne nécessitent pas de matières organiques[4]. Le méthane biogénique est produit dans des environnements naturels anaérobies et se forme dans la décomposition de matières organiques par des microbes ou des micro-organismes[7] - [4]. Les chercheurs ont découvert que le processus de production de méthane biogénique peut être reproduit dans un environnement de laboratoire par électrométhanogénèse[4] - [7].

La réduction du CO2 dans l'électrométhanogénèse est facilitée par un courant électrique au niveau d'une biocathode (voir plus loin) dans une cellule d'électrolyse microbienne (ou MEC) à l'aide de microorganismes et d'électrons, ce qui donne :

CO2 + 8H+ + 8e− ↔ CH4 + 2H2O

ou à l'aide d'hydrogène produit de manière abiotique[1] - [4] - [5] - [7] :

CO2 + 4H2 ↔ CH4 + 2H2O

Biocathode

Une biocathode est une cathode utilisée dans une cellule d'électrolyse microbienne pendant l'électrométhanogénèse qui utilise des micro-organismes pour catalyser le processus d'acceptation des électrons et des protons de l'anode[8]. Une biocathode est généralement constituée d'un matériau bon marché, tel que le carbone ou le graphite, comme l'anode du MEC[6]. La population microbienne qui est placée sur la biocathode doit être capable de capter les électrons du matériau de l'électrode (carbone ou graphite) et de convertir ces électrons en hydrogène[8] - [6].

Mécanisme
Figure 1 : Exemple d'un système de production de méthane à deux chambres où se déroule l'électrométhanogénèse.

Le mécanisme de l'électrométhanogénèse est décrit dans la figure 1. L'eau est introduite dans le système autour de l'anode, la biocathode et les microbes. Sur l'anode, les microbes attirent les molécules d'H2O qui sont ensuite oxydées quand le courant électrique passe. L'oxygène y est libéré. Les protons et les électrons oxydés de l'H2O traversent la membrane où ils pénètrent dans le matériau qui constitue la biocathode. Le type de microorganisme tapissant la biocathode a la capacité de transférer les nouveaux électrons du corps de la biocathode et de les convertir en protons. Ces protons sont ensuite utilisés dans la voie principale qui entraîne la production de méthane par électrométhanogénèse, la réduction du CO2 qui est amené du côté biocathode du système où il est réduit par les protons produits par les micro-organismes pour donner du H2O et du méthane (CH4+). Le méthane produit peut ensuite être libéré du côté biocathode et stocké[4] - [7] - [5] - [9].

Limites

Une limite importante est la perte d'énergie dans les systèmes bioélectrochimiques producteurs de méthane. Cela se produit en raison de surtensions se produisant au niveau de l'anode, de la membrane et de la biocathode. La perte d'énergie réduit considérablement l'efficacité[4] - [5] - [7]. La biocathode est aussi facteur de limitation, parce qu'elle est si importante dans l'échange d'électrons et la formation de méthane, sa composition peut avoir un effet déterminant sur l'efficacité de la réaction[1] - [4]. Des efforts sont déployés pour améliorer les biocathodes utilisées dans l'électrométhanogénèse en combinant des matériaux nouveaux et existants, en remodelant les designs ou en appliquant différents « prétraitements » à la surface de la biocathode, augmentant ainsi la biocompatibilité[4] - [5].

Voir également

Références
  1. (en) Cheng, Xing, Call et Logan, « Direct Biological Conversion of Electrical Current into Methane by Electromethanogenesis », Environmental Science & Technology, vol. 43, no 10,‎ , p. 3953–3958 (ISSN 0013-936X, PMID 19544913, DOI 10.1021/es803531g, Bibcode 2009EnST...43.3953C, résumé).
  2. (fi) Tuomas Kangasniemi, « Aurinkosähkön varastoinnin ongelmat ohi: bakteeri syö sähköä, tekee metaania », Tekniikka & Talous,‎ (lire en ligne, consulté le ).
  3. (en) « Researchers Show Direct Bacterial Production of Methane from Electricity and CO2 », sur Green Car Congress, (consulté le ).
  4. (en) Blasco-Gómez, Batlle-Vilanova, Villano et Balaguer, « On the Edge of Research and Technological Application: A Critical Review of Electromethanogenesis », International Journal of Molecular Sciences, vol. 18, no 4,‎ , p. 874 (ISSN 1422-0067, PMID 28425974, PMCID 5412455, DOI 10.3390/ijms18040874, résumé).
  5. (en) Batlle-Vilanova, Puig, Gonzalez-Olmos et Vilajeliu-Pons, « Assessment of biotic and abiotic graphite cathodes for hydrogen production in microbial electrolysis cells », International Journal of Hydrogen Energy, vol. 39, no 3,‎ , p. 1297–1305 (ISSN 0360-3199, DOI 10.1016/j.ijhydene.2013.11.017, résumé).
  6. (en) Hara, Onaka, Kobayashi et Fu, « Mechanism of Electromethanogenic Reduction of CO2 by a Thermophilic Methanogen », Energy Procedia, vol. 37,‎ , p. 7021–7028 (ISSN 1876-6102, DOI 10.1016/j.egypro.2013.06.637, lire en ligne [PDF]).
  7. (en) Croese, Pereira, Euverink et Stams, « Analysis of the microbial community of the biocathode of a hydrogen-producing microbial electrolysis cell », Applied Microbiology and Biotechnology, vol. 92, no 5,‎ , p. 1083–1093 (ISSN 0175-7598, PMID 21983651, PMCID 3210952, DOI 10.1007/s00253-011-3583-x, lire en ligne)
  8. (en) Zhou, Xing, Xu et Angelidaki, « The Highest Methane Production Rate Ever by Electromethanogenesis Using Intact Anaerobic Granular Sludge as Biocathode », 7th International Society for Microbial Electrochemistry and Technology (ISMET7),‎ (résumé)
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