Coupling dark fermentation and microbial electrolysis for hydrogen production: process and mechanisms occurring during formation and conservation of electroactive biofilm
Description
Nowadays, alternative and sustainable solutions are proposed to avoid the use of fossil fuel. Hydrogen, which constitutes a promising energy vector, is essentially produced by fossil fuel reforming (95%). Environmentally friendly production systems have to be studied. Two main families of technologies are explored to produce hydrogen: 1) by thermochemical and electrochemical decomposition of water and 2) from different biomass sources. Among those last ones, microbial electrolysis cells (MEC) allow to produce hydrogen by electrolysis of organic matter. A MEC consists in a classical cathode, which provides hydrogen production by electrochemical reduction of water, associated to a bio-anode that oxidizes organic substrates into carbon dioxide. This process is only possible because of the anodic development of an electroactive microbial biofilm which constitutes an electrocatalyst. In comparison to classical water electrolysis process, a MEC requires 5 to 10 times less electrical energy and therefore reduces the energetic cost of produced hydrogen. Furthermore, classical process of dark fermentation in mixed cultures converts sugars (saccharose, glucose) to hydrogen with a limited yield of 2-3 moles of hydrogen per mole of hexose because of the coproduction of organic acids (mainly acetic and butyric acids). Fed with acetate, a MEC can produce up-to 3 moles of hydrogen per mole of acetate. Therefore, the association of these two processes could permit to produce 8 to 9 moles of hydrogen per mole of hexose, which represents a major step toward the theoretical limit of 12 moles of hydrogen per mole of hexose. Therefore, this work aims at analyzing the relationship between microbial community structures and compositions and the associated macroscopic functions (biofilm electroactive properties, hydrogen production potential) in electroactive biofilms and in dark fermentation in conditions allowing the coupling of the two processes. The originality of this study is to work in saline conditions (30-35 gNaCl/L), which favors the charges transfer in the MEC electrolyte. First of all, feasibility of dark fermentation in saline conditions (3-75 gNaCl/L) has been shown. This was linked to an inhibition of produced hydrogen consumption and the predominance of a new Vibrionaceae species at salt concentrations higher than 58 gNaCl/L. Secondly, electroactive biofilm growth in conditions compatibles to dark fermentation (pH 5.5-7 and fed with different organic acids) allowed to select dominant microbial species in anodic biofilms that present promising electroactive properties (Geoalkalibacter subterraneus and Desulfuromonas acetoxidans) with maximum current densities up to 8.5 A/m2. In parallel, the microbial selection occurring during iron-reducing enrichment method used to select species from a natural inoculum source and based on their capacity to transfer electrons to iron oxides (Fe(III)) has been studied. A decrease of electroactive performances of the biofilm linked to the divergence of microbial selection led to a limitation of the number of iron-enrichment steps. However, enrichment on Fe(III) presents an efficient alternative to pre-select electroactive species with an increase of coulombic efficiency from 30±4% to 99±8% in comparison with a biofilm obtained with a non-acclimated inoculum. Finally, the addition of exogenous bacteria from a dark fermenter on the electroactive biofilm revealed a decrease of electroactivity with a decrease of maximum current density produced. This diminution could be explained by a lower substrate transfer due to an apparent thickening of the biofilm. Nevertheless, the stability of microbial composition and of bacterial quantity on the anode suggests that a production of exopolymers (EPS) occurred. (author)
Abstract (French)
De nos jours, des solutions alternatives et durables sont proposees a l'usage d'energies fossiles. L'hydrogene, qui constitue un vecteur energetique d'avenir, est produit essentiellement par reformage de combustibles fossiles (95%). Des filieres de production plus soucieuses de l'environnement doivent donc etre envisagees. Deux familles de technologies sont explorees pour produire de l'hydrogene: 1) par decomposition thermochimique ou electrochimique de l'eau et 2) a partir de differentes sources de biomasse. Parmi celles-ci, les cellules d'electrolyse microbienne ou 'Microbial Electrolysis Cell (MEC)' permettent de produire de l'hydrogene par electrolyse de la matiere organique. Une MEC consiste en une cathode classique qui assure la production d'hydrogene par la reduction electrochimique de l'eau, associee a une bioanode qui oxyde des substrats organiques en dioxyde de carbone. Ce processus d'oxydation n'est possible que grace au developpement sur l'anode d'un biofilm microbien electroactif qui joue le role d'electro-catalyseur. Par rapport aux procedes courants d'electrolyse de l'eau, une MEC fonctionne sous des tensions 5 a 10 fois plus faibles, divisant d'autant le cout en energie de l'hydrogene produit. En outre, les procedes 'classiques' de production de biohydrogene par voie fermentaire en cultures mixtes convertissent des sucres (saccharose, glucose) avec des rendements limites a 2-3 moles d'hydrogene par mole d'hexose tout en coproduisant des acides organiques (acide acetique ou butyrique principalement). Alimente par de l'acetate, une MEC produit au maximum 3 moles d'hydrogene /mole d'acetate. Le couplage de la fermentation a un procede d'electrolyse microbienne pourrait donc produire de 8 a 9 moles d'hydrogene/mole d'hexose, soit un grand pas vers la limite theorique de 12 moles d'hydrogene/mole d'hexose. L'objectif de cette these est d'analyser les liens entre la structure des communautes microbiennes dans les biofilms electroactifs et en fermentation, les individus qui les composent et les fonctions macroscopiques (proprietes electroactives du biofilm, potentiel de production d'hydrogene) qui leur sont associees dans des conditions permettant de realiser le couplage des deux procedes. L'originalite de cette etude a ete de travailler en milieu salin (30-35 gNaCl/L), favorable au transport de charges dans l'electrolyte de la MEC. Dans un premier temps, la faisabilite de la fermentation en conditions salines (3-75 gNaCl/L) a ete demontree en lien avec l'inhibition de la consommation de l'hydrogene produit et une forte predominance d'une nouvelle souche de Vibrionaceae a des concentrations en sel superieures a 58 gNaCl/L. D'autre part, la mise en oeuvre de biofilms electroactifs dans des conditions compatibles avec la fermentation sombre (pH 5.5 a 7 et alimente avec differents acides organiques) a permis la selection d'especes microbiennes dominantes dans les biofilms anodiques et presentant des proprietes electroactives tres prometteuses (Geoalkalibacter subterraneus et Desulfuromonas acetoxidans) avec des densites de courant pouvant atteindre jusqu'a 8,5 A/m2. En parallele, la selection microbienne operee lors d'une methode d'enrichissement utilisee pour selectionner ces especes a partir d'une source d'inoculum naturelle sur leur capacite a transferer leurs electrons a des oxydes de Fer(III) a ete etudiee. Une baisse des performances electroactives du biofilm liee a une divergence de selection microbienne dans ces deux techniques de selection mene a limiter le nombre de cycle d'enrichissement sur Fer(III). Cependant, l'enrichissement sur Fer(III) reste une alternative efficace de pre-selection d'especes electroactives qui permet une augmentation de rendement faradique de 30±4% a 99±8% par rapport au biofilm obtenu avec un inoculum non pre-acclimate. Enfin, l'ajout d'especes exogenes issues de la fermentation sombre sur le biofilm electroactif a revele une baisse de l'electroactivite du biofilm se traduisant par une diminution de la densite de courant maximale produite. Cette baisse pourrait s'expliquer par une diminution de la vitesse de transfert du substrat due a un epaississement apparent du biofilm. Cependant, un maintien de sa composition microbienne et de la quantite de biomasse laisse supposer une production d'exopolymeres (EPS) dans le biofilm en situation de couplage. (auteur)
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Additional titles
- Original title (French)
- Couplage de la fermentation sombre et de l'electrolyse microbienne pour la production d'hydrogene: Formation et maintenance du biofilm electro-actif
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 296 p.
- Report number
- FRNC-TH--12312
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 53004307
- Subject category
- S37: INORGANIC, ORGANIC, PHYSICAL AND ANALYTICAL CHEMISTRY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ACETATES; BACTERIA; BATCH CULTURE; BRINES; CHEMICAL REACTION YIELD; CHEMICAL REACTORS; CURRENT DENSITY; ELECTRODES; ELECTROLYSIS; ELECTRON TRANSFER; FEASIBILITY STUDIES; FERMENTATION; FILMS; GENE AMPLIFICATION; HYDROGEN PRODUCTION; IRON OXIDES; ORGANIC ACIDS; PH VALUE; SALINITY
- Descriptors DEC
- BIOCONVERSION; CARBOXYLIC ACID SALTS; CHALCOGENIDES; IRON COMPOUNDS; LYSIS; MICROORGANISMS; ORGANIC COMPOUNDS; OXIDES; OXYGEN COMPOUNDS; TRANSITION ELEMENT COMPOUNDS; YIELDS
Optional Information
- Notes
- 258 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses