Une nouvelle biobatterie pour le stockage de l'hydrogène
Les microbiologistes ont réussi à utiliser des bactéries pour le stockage et la libération contrôlés d'hydrogène.
La lutte contre le changement climatique rend de plus en plus urgente la recherche de sources d'énergie neutres en carbone. L'hydrogène vert, qui est produit à partir de l'eau avec l'aide d'énergies renouvelables telles que l'énergie éolienne ou solaire, est l'une des solutions sur lesquelles se fondent les espoirs. Cependant, le transport et le stockage de ce gaz hautement explosif sont difficiles, et les chercheurs du monde entier sont à la recherche de solutions chimiques et biologiques. Une équipe de microbiologistes de l'université Goethe de Francfort a découvert une enzyme dans des bactéries qui vivent en l'absence d'air et lient directement l'hydrogène auCO2, produisant ainsi de l'acide formique. Le processus est totalement réversible - une condition essentielle pour le stockage de l'hydrogène. Ces bactéries acétogènes, que l'on trouve par exemple dans les grands fonds marins, se nourrissent de dioxyde de carbone, qu'elles métabolisent en acide formique à l'aide d'hydrogène. Normalement, cependant, cet acide formique n'est qu'un produit intermédiaire de leur métabolisme et est ensuite transformé en acide acétique et en éthanol. Mais l'équipe dirigée par le professeur Volker Müller, chef du département de microbiologie moléculaire et de bioénergétique, a adapté la bactérie de telle sorte qu'il est possible non seulement d'arrêter ce processus au stade de l'acide formique, mais aussi de l'inverser. Le principe de base est déjà breveté depuis 2013.
Image symbolique
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Modèle d'un système potentiel de stockage bactérien de l'hydrogène : pendant la journée, de l'électricité est produite à l'aide d'une unité photovoltaïque, qui alimente ensuite l'hydrolyse de l'eau. Les bactéries lient l'hydrogène ainsi produit au CO2, ce qui entraîne la formation d'acide formique. Cette réaction est entièrement réversible, et le sens de la réaction est uniquement guidé par la concentration des matières premières et des produits finaux. Pendant la nuit, la concentration d'hydrogène dans le bioréacteur diminue et les bactéries recommencent à libérer l'hydrogène de l'acide formique. Cet hydrogène peut alors être utilisé comme source d'énergie.
Goethe-Universität Frankfurt am Main
"Les taux mesurés de réduction duCO2 en acide formique et inversement sont les plus élevés jamais mesurés et plusieurs fois plus importants qu'avec d'autres catalyseurs biologiques ou chimiques ; en outre, et contrairement aux catalyseurs chimiques, les bactéries ne nécessitent pas de métaux rares ou de conditions extrêmes pour la réaction, comme des températures et des pressions élevées, mais font le travail à 30°C et à une pression normale", rapporte Müller. Le groupe a maintenant un nouveau succès à annoncer : le développement d'une biobatterie pour le stockage de l'hydrogène à l'aide de ces mêmes bactéries.
Pour le stockage de l'hydrogène à l'échelle municipale ou domestique, il est souhaitable de disposer d'un système dans lequel les bactéries stockent d'abord l'hydrogène puis le restituent dans un seul et même bioréacteur et de manière aussi stable que possible sur une longue période. Fabian Schwarz, qui a rédigé sa thèse de doctorat sur ce sujet dans le laboratoire du professeur Müller, a réussi à mettre au point un tel bioréacteur. Il a nourri les bactéries avec de l'hydrogène pendant huit heures, puis les a soumises à un régime d'hydrogène pendant une phase de 16 heures durant la nuit. Les bactéries ont ensuite libéré tout l'hydrogène à nouveau. Il a été possible d'éliminer la formation indésirable d'acide acétique à l'aide de procédés de génie génétique. "Le système a fonctionné de manière extrêmement stable pendant au moins deux semaines", explique Fabian Schwarz, qui se réjouit que ces travaux aient été acceptés pour publication dans "Joule", une prestigieuse revue d'ingénierie des procédés chimiques et physiques. "Le fait que des biologistes publient dans cette importante revue est quelque peu inhabituel", ajoute Fabian Schwarz.
Volker Müller avait déjà étudié les propriétés de ces bactéries spéciales dans sa thèse de doctorat - et a passé de nombreuses années à mener des recherches fondamentales sur elles. "Je m'intéressais à la façon dont ces premiers organismes organisaient leurs processus vitaux et comment ils parvenaient à se développer en l'absence d'air avec des gaz simples comme l'hydrogène et le dioxyde de carbone", explique-t-il. En raison du changement climatique, ses recherches ont acquis une nouvelle dimension, orientée vers les applications. De manière surprenante pour de nombreux ingénieurs, la biologie peut produire des solutions praticables par tous les moyens, dit-il.
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