Pierre Belleville a soutenu sa thèse le 3 avril 2018 à 13h en salle des Conseils (Chartreuse). Sa thèse a pour titre « De la modélisation multiphysique des biofilms anodiques pour le développement des systèmes bioélectrochimiques ».
 

Résumé de la thèse

Les systèmes bioélectrochimiques (BES), s’appuyant sur les interactions entre microorganismes et électrodes, constituent une technologie prometteuse pour la valorisation des effluents résiduaires. Depuis près de 20 ans, la diversité des applications imaginées témoigne de la vivacité et des perspectives de ce champ scientifique au croisement de plusieurs disciplines. Toutefois, de nombreux verrous subsistent pour envisager son développement à grande échelle. Ce travail de thèse propose deux axes de réflexion pour valoriser l’utilisation des biofilms anodiques. Le couplage d’un électrolyseur et d’une pile à combustible microbienne (MFC) via l’utilisation d’un médiateur RedOx offre des perspectives intéressantes pour s’affranchir, d’une part, des limites de l’électrolyse de l’eau pour la production d’hydrogène et, d’autre part, des principaux verrous des BES pour la valorisation énergétique directe. La preuve de concept proposée dans ce travail permet de rendre compte d’un cycle de médiateur complet en effectuant une électrolyse à bas potentiel (1V) pour la production d’hydrogène et en délivrant une puissance de 0.4W.m2 dans la MFC alimentée au glucose. La démarche suivie pour la construction, le développement et l’utilisation d’un modèle mécanistique multi-physiques est présentée. La description complète des mécanismes intervenant dans les biofilms anodiques permet d’établir les lois mathématiques et les méthodes de résolution pour décrire le système. Dans un premier temps, une modélisation 1D d’un biofilm électroactif nourri à l’acétate est présentée. Le choix des paramètres imposés et des hypothèses sur le mode de transfert extracellulaire est discuté. Le modèle permet de rendre compte des hétérogénéités locales du métabolisme observées expérimentalement en s’appuyant sur les propriétés de la fraction inactive (conductivité, densité) et de l’influence du pH. Dans un second temps, une modélisation 2D compilant le modèle de biofilm électroactif 1D, les voies métaboliques de dégradation du glucose et l’écoulement de l’effluent dans le volume externe, est présentée. Ce modèle s’appuie sur un ensemble de paramètres intrinsèques et peut simuler l’influence des conditions opératoires sur la ségrégation interespèces et les performances du biofilm anodique. Le développement d’un protocole expérimental s’appuyant sur une série de piles à combustible microbiennes alimentées en cascade propose une démarche pour caractériser l’évolution de la nature de l’effluent, de la composition de la biomasse et des taux de conversion en vue de calibrer le modèle. Enfin, une méthode d’analyse multi-critères et multi-objectifs est présentée comme une perspective future pour déterminer les conditions optimales de fonctionnement des systèmes.
 

Composition du jury

M. Timothy VOGEL,
Professeur, AMPERE-ECL, Rapporteur
M. Nicolas BERNET,
Directeur de recherche, LBE-INRA Narbonne, Rapporteur
Mme Régine BASSEGUY,
Directeur de recherche, LGC-ENSIACET Toulouse, Examinateur
Mme Wafa ACHOUAK,
Directeur de recherche, LEMIRE-CEA Cadarache, Examinateu
M. Jonathan DESEURE
Maître de conférence HDR, LEPMI-UGA, Examinateur
M. Gérard MERLIN,
Professeur, Polytech-USMB,Co-Directeur de thèse
M. Julien RAMOUSSE,
Maître de conférence, Polytech-USMB, Co-Directeur de thèse