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La filière de méthanisation a connu ces dernières années un fort développement industriel dans le secteur des énergies renouvelables et qui permettent de traiter et valoriser une très large gamme de biomasses organiques, allant des cultures énergétiques dédiées,  aux résidus et effluents agro-industriels et autres déchets municipaux. Afin d’améliorer la rentabilité économique de ces installations, des innovations technologiques sont attendues.

Dans ce cadre les procédés de fermentation en cultures mixtes permettent d’apporter une plus-value à la filière de traitement par méthanisation, sous la forme de biohydrogène et/ou de biomolécules d’intérêt industriel.  

Les recherches menées sur cette thématique concernent des procédés biologiques impliquant une association complexe de communautés microbiennes permettant de convertir la biomasse organique en biohydrogène et molécules fermentaires. Le potentiel des cultures mixtes microbiennes est particulièrement intéressant au regard de leur flexibilité métabolique permettant de s’adapter à de nombreuses ressources organiques complexes (effluents, biomasse). 

Les recherches menées ont pour objectif d’optimiser la conversion de biomasse en bioH₂ et Biomolécules par fermentation en cultures mixtes, en s’intéressant plus particulièrement à :

• La détermination des critères (composition, structure) permettant de sélectionner les meilleurs types d’intrants en fonction des molécules considérées (H₂, lactate, ethanol, acetate, butyrate, caproate,...). Pour cela des modèles liant les principales caractéristiques des intrants et les molécules fermentaires associées sont élaborées. Des prétraitements ciblés sont alors réalisés pour orienter au mieux les réactions de fermentation.
• L’optimisation des conditions opératoires en bioprocédés en fonction des substrats considérés (FFOM, résidus agricoles type paille, effluents industriels oléicoles, viticoles, ou de l’industrie du biodiesel - glycerol) et des molécules ciblés, en particulier l’H₂. Un focus particulier est fait sur un meilleur contrôle des populations microbiennes au cours des procédés de fermentation (diversité, contrôle biotique, modélisation prédictive/explicative des métabolismes).  
• L’intégration des procédés  fermentaires dans un schéma de bioraffinerie environnementale. Pour cela, le couplage avec les procédés de valorisation des AGVs produits est ciblé, pour la production soit de biohythane (H₂+CH₄) par méthanisation des résidus, soit d’H₂ supplémentaire en MEC (cellules d’électrolyse microbienne), soit de biolipides avec des microalgues hétérofermentaires.  

Un focus particulier est fait sur l’optimisation des procédés par un meilleur contrôle des processus d’interactions entre microorganismes fermentaires, soit par éco-ingénierie, soit par électro-fermentation via l’élaboration de modèles complexes d’interactions entre microorganismes fermentaires.

PRINCIPALES REFERENCES :

• Moscoviz R, de Fouchécour F, Santa-Catalina G, Bernet N & E Trably (2017) Cooperative growth of Geobacter sulfurreducens and Clostridium pasteurianum with subsequent metabolic shift in glycerol fermentation. Scientific Reports, 7: 44334
• Cabrol L, Marone A, Tapia-Venegas E, Steyer JP, Ruiz-Filippi G & E Trably (2017)  Microbial ecology of fermentative hydrogen producing bioprocesses: useful insights for driving the ecosystem function. FEMS Microbiology Reviews, 41: 158-181
• Chatellard L, Trably E & H Carrere (2016) The type of carbohydrates specifically selects microbial community structures and fermentation patterns. Bioresource Technology 221: 541-549
• Moscoviz R, Toledo-Alarcon J, Trably E & N Bernet (2016) Electro-fermentation: how to drive fermentation using electrochemical systems. Trends in Biotechnology 34: 856-865
• Carillo-Reyes J, Trably E, Bernet N, Latrille E & E Razo-Flores (2016) High robustness of a simplified microbial consortium producing hydrogen in long term operation of a biofilm fermentative reactor. International Journal of Hydrogen Energy 41: 2367-2376                
• Benomar S, Ranava D, Cardenas ML, Trably E, Rafrafi Y, Ducret A, Hamelin J, Lojou E, Steyer JP & MT Giudici-Orticoni (2015) Nutritional stress induces exchange of cell material and energetic coupling between bacterial species. Nature Communications 6 : 6283
• Rafrafi Y, Trably E, Hamelin J, Latrille E, Meynial-Salles I, Benomar S, Guidici-Orticoni MT & JP Steyer (2013) Sub-dominant bacteria as keystone species in microbial communities producing bio-hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy, 38: 4975-4985

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Eric Trably et Nicolas Bernet