Production de biohydrogène : voie fermentaire sombre

Dans le monde du vivant, l'hydrogène est principalement un intermédiaire biochimique hautement réactionnel qui assure le transfert efficace d'électrons entre espèces microbiennes jouant le rôle de vecteur énergétique. Dans le monde industriel, la nature réactive de l'hydrogène fait qu'il est utilisé comme réactif dans de nombreux procédés de la chimie fine, de la pétrochimie et même de l'agroalimentaire ou comme carburant pour des applications en piles à combustible.

La fermentation orientée vers la production d'hydrogène est un procédé qui est apparu récemment dans le domaine des biotechnologies. Plutôt considérée comme un processus de dégradation indésirable de la matière organique générant des nuisances olfactives et des sous-produits sans grand intérêt, tels que l'acétate et le butyrate, elle est devenue attrayante par sa production d'hydrogène. D'un point de vue industriel, la filière de production d'hydrogène par fermentation sombre n'a pas encore un réel intérêt économique, mais le développement des industries de la filière du bioéthanol de seconde génération, transformant les plantes entières en sucres simples, fait naître de nouveaux espoirs via la valorisation des sous-produits de cette filière. En effet, la production d'hydrogène par fermentation s'applique à 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 » (ou biohydrogène).

Néanmoins, les limites à l'industrialisation de la production de dihydrogène par fermentation restent nombreuses. Les rendements moyens de conversion des hydrates de carbone, à l'échelle pilote, et dans de bonnes conditions de productivité, restent inférieurs à alors qu'il faudrait atteindre les pour obtenir une conversion totale, c'est-à-dire 1,6 L d'hydrogène par gramme de sucre. Afin d'améliorer les rendements de la filière, des couplages avec d'autres procédés biologiques ou chimiques doivent être considérés comme les photofermentations ou l'électrolyse microbienne (figure 1). Cette démarche intégrée est indispensable au succès d'une filière « biohydrogène », même si des difficultés de compatibilités des procédés apparaissent, soit par la présence de composés inhibiteurs, soit par des productivités très différentes conduisant à des dimensionnements délicats des installations. Cet article s'intéresse à la voie fermentaire sombre (étape 1 de la figure 1), les phases éclairées (étapes 2 et 3 de la figure 1) étant traitées dans un autre article [BIO 3 352].

Cet article aborde dans un premier temps les aspects théoriques de la production d'hydrogène par voie fermentaire sombre. La seconde partie est dédiée aux gisements de matière organique et à leur potentiel. Le troisième chapitre est consacré aux acteurs microbiens produisant de l'hydrogène, et une quatrième partie présente leur mise en œuvre en procédés. Enfin, des aspects de modélisation sont abordés.