Production de biohydrogène - Voie fermentaire sombre

La nature réactive de l’hydrogène fait que, dans le monde industriel, le dihydrogène (H₂) est très largement utilisé comme réactif dans de nombreux procédés de chimie fine, de pétrochimie et en agroalimentaire. Dans un contexte actuel de transition énergétique, les applications de piles à combustible pour les transports sont en fort développement et font de l’H₂ un vecteur énergétique d’intérêt. La production d’un hydrogène « vert », ou décarboné, constitue donc une filière d’avenir très prometteuse.

Or, dans le monde du vivant, l’hydrogène est un intermédiaire biochimique réactionnel omniprésent jouant un rôle majeur de vecteur d’électrons entre espèces microbiennes, notamment en conditions fermentaires. Or, la fermentation dite « sombre », par opposition aux photo-bioprocédés dépendants d’une source lumineuse, est un procédé orienté vers la production d’hydrogène qui n’est apparu que récemment dans le domaine des biotechnologies. Longtemps considérée comme un processus de dégradation de la matière organique peu désirable car générant des nuisances olfactives et des sous-produits avec un faible intérêt économique, à savoir acétate et butyrate, elle est devenue depuis peu particulièrement attrayante par sa production d’hydrogène. De plus, l’intérêt de produire de l’hydrogène par fermentation réside en l’utilisation d’une large gamme de substrats organiques qu’il s’agisse d’hydrates de carbone purs ou non, de déchets organiques ou autres résidus agricoles. L’hydrogène ainsi produit serait de l’hydrogène « biosourcé » (autrement dénommé biohydrogène).

D’un point de vue industriel, cette filière de production d’un hydrogène « vert » par fermentation n’a pas encore connu un réel essor, au regard d’un marché hydrogène encore émergent. Le développement de ce type de biotechnologie reste donc à ce jour au stade de l’échelle pilote. Ces procédés de production d’H₂ présentent également encore certaines limites quant à leur industrialisation immédiate. En effet, même si les procédés actuels présentent de bonnes productivités (plusieurs dizaines de $m_{H2}^3\text{/}{m}_{réacteur }^{\text{3}}\text{/ }jour$ , les rendements moyens de conversion restent souvent inférieurs à 2 mol_H2.mol_{hexose_equivalent} ^–1 alors qu’une conversion totale permettrait d’atteindre un rendement théorique de 12 mol_H2.mol_{hexose_equivalent} ^–1, soit 1,6 m³ d’H₂ par kilogramme de sucre équivalent. Ainsi, afin d’optimiser les rendements de la filière, des couplages avec d’autres procédés biologiques ou chimiques doivent être considérés, comme, par exemple, avec des procédés de photofermentation ou d’électrolyse microbienne. Cette démarche « intégrée » est indispensable au succès d’une filière « biohydrogène ». Certaines incompatibilités entre procédés restent néanmoins à être levées, via par exemple la présence de composés inhibiteurs. À court terme, les procédés fermentaires de production d’H₂ paraissent pouvoir facilement s’intégrer aux filières de traitement/valorisation des déchets par méthanisation.

Cet article aborde dans un premier temps les aspects théoriques de la production d’hydrogène par voie fermentaire sombre. La deuxième partie est dédiée aux gisements de matière organique et à leur potentiel. La troisième partie est consacrée aux acteurs microbiens produisant de l’hydrogène, et une quatrième partie présente leurs mises en œuvre en procédés tant à l’échelle laboratoire qu’à l’échelle pilote. Enfin, les aspects de modélisation sont abordés.