Production d’hydrogène photobiologique à partir de cyanobactéries Anabaena variabilis

Motivation


Les nations industrielles en général et les États-Unis d’Amérique en particulier sont confrontés à une combinaison sans précédent de défis économiques et environnementaux. Premièrement, ils sont confrontés au formidable défi de répondre à des besoins énergétiques croissants sans ajouter des quantités intolérables de gaz à effet de serre dans l’atmosphère et avoir un impact supplémentaire sur le climat et l’environnement. Les réserves de ressources naturelles bon marché sur lesquelles le monde compte depuis des décennies sont maintenant estimées à des dizaines d’années. Les preuves du réchauffement climatique déjà rassemblées dans le monde entier et, très probablement, en raison des activités industrielles, mettront un stress supplémentaire sur l’équilibre fragile dont nous jouissons. Afin de faire face à ces formidables défis et de créer des opportunités technologiques et économiques, les États-Unis devraient réduire leur dépendance vis-à-vis des combustibles fossiles étrangers et s’appuyer davantage sur une combinaison de (i) systèmes de conversion et de transport d’énergie durables, (ii) d’énergie sans pétrole et (iii) les nouvelles technologies de captage et de conversion du dioxyde de carbone.

L’objectif de ce projet est de réaliser une étude approfondie pour simultanément atténuer le dioxyde de carbone et produire de l’hydrogène. Il offre un système bon marché, efficace, évolutif, autonome et fiable pour produire de l’hydrogène à partir de la consommation microbienne de dioxyde de carbone et de l’absorption de la lumière solaire.


Principe


Les cyanobactéries produisent de l’hydrogène et de l’oxygène en (i) consommant le gaz CO2 comme source de carbone et (ii) en absorbant la lumière solaire comme source d’énergie.


Anabaena variabilis


Les cyanobactéries Anabaena variabilis sont:

  • Cyanobactéries filamenteuses hétérocystes.
  • Présentent une capacité de production d’hydrogène élevée en l’absence d’azote.
  • Considéré comme un bon consommateur de dioxyde de carbone.
  • Environ 5 mm de diamètre et 100 mm de long.
  • Leur génome a été séquencé.

Description et fonctionnement du photobioréacteur


Nous avons conçu et construit, et exploitons maintenant un photobioréacteur entièrement instrumenté. Les mesures suivantes sont systématiquement effectuées:

Environnement En phase liquide En phase gazeuse
Intensité lumineuse incidente débit d’entrée de gaz Température
pH, O2 dissous nitrates, ammoniac
débit de sortie, pression, composition du gaz (O2, H2, CO2 et N2)

Le photobioréacteur fonctionne en deux étapes. Le passage de l’étape 1 à l’étape 2 a lieu lorsque les concentrations de nitrate dans la phase liquide disparaissent.

Étape 1: consommation de dioxyde de carbone et croissance bactérienne

  • présence de nitrates et d’azote.
  • barbotage avec 95% d’air et 5% de CO2 à 170 mL/min.
  • irradiance: 65-75 umol/m2/s.

Étape 2: production d’hydrogène

  • absence de nitrates et d’azote.
  • barbotage avec de l’argon pur à 45 mL/min.
  • irradiance: 150 umol /m2/.

Résultats


  • La phase de croissance a duré 110 heures.
  • La phase de production H2 a duré plus d’une semaine.
  • L’efficacité de conversion d’énergie lumière en hydrogène a atteint 0,5%.
  • L’efficacité de conversion d’énergie lumière-biomasse était de 4,7%.

Publications


L. Pilon and H. Berberoğlu, 2014. Photobiological Hydrogen Production. Handbook of Hydrogen Energy, S.A. Sherif, D.Y. Goswami, E.K. Stefanakos, A. Steinfeld, Eds., CRC Press, Taylor and Francis, Boca Raton, FL. ISBN-13: 978-1420054477.

L. Pilon, H. Berberoğlu, and R. Kandilian, 2011. Radiation Transfer in Photobiological CO2 Fixation and Fuel Productionby Microalgae, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiation Transfer, Vol. 112, no. 17, pp. 2639–2660. doi:10.1016/j.jqsrt.2011.07.004 pdf

H. Berberoğlu and L. Pilon, 2010. Maximizing Solar to H2 Energy Conversion Efficiency of Outdoor Photobioreactors Using Mixed Cultures. International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 35, pp. 500-510. doi:10.1016/j.ijhydene.2009.11.030 pdf

H. Berberoğlu, P. Gomez, and L. Pilon, 2009. Radiation Characteristics of Botryococcus braunii, Chlorococcum littorale, and Chlorella sp. Used For CO2 Fixation and Biofuel Production, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Vol. 110, pp. 1879–1893. doi: 10.1016/j.jqsrt.2009.04.005 pdf

H. Berberoğlu, J. Jay, and L. Pilon, 2008. Effect of Nutrient Medium on Hydrogen Production of A. variabilis in a Flat Panel Photobioreactor. International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 33, No.4, pp.1172 – 1184. doi:10.1016/j.ijhydene.2007.12.036 pdf

H. Berberoğlu and L. Pilon, 2007. Experimental Measurements of the Radiation Characteristics of Anabaena variabilis ATCC 29413-U and Rhodobacter sphaeroides ATCC 49419, International Journal of Hydrogen Energy,Vol. 32, No. 18, pp.4772-4785. doi:10.1016/j.ijhydene.2007.08.018 pdf


Source de la page: http://www.seas.ucla.edu/~pilon/Bioreactor.html
Traduit par Mathilde Guibert

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