Le cœur du processus biologique est la bactérie Thermoanaerobacter kivui (T. kivui). La bactérie vit en Afrique centrale, profondément enfouie dans la boue du lac Kivu, loin de la lumière et de l’oxygène. Elle dispose naturellement d’une enzyme particulière qui lui permet de transformer de l’hydrogène (H2) et le dioxyde de carbone (CO2) en acide formique (CH2O2) et inversement.
Cette propriété a été étudiée de façon approfondie par l’équipe de Volker Müller, directeur du département « Microbiologie moléculaire et bioénergétique » à l’université Goethe de Francfort, avec lequel Festo travaille en étroite collaboration sur ce projet.
Un stockage efficace
Le stockage et le transport de l’hydrogène restent à ce jour un défi. Les méthodes courantes compriment l’hydrogène sous haute pression, le liquéfient à des températures extrêmement basses ou le transforment chimiquement. Tous ces procédés sont coûteux en énergie et compliqués.
À l’aide de la bactérie T. kivui, il est possible de transformer l’hydrogène en acide formique à des températures d’environ 65 °C et à une faible pression de 1,5 bar, ce qui permet de le stocker et de le transporter à un coût relativement faible.
Bien qu’il s’agisse d’un processus biologique, cette réaction se déroule rapidement, car elle n’est pas liée à la croissance des cellules. Au contraire, les bactéries sont utilisées comme des catalyseurs : elles ne sont pas consommées et le processus peut être répété à volonté avec suffisamment de phases de régénération, comme un cycle.
« À température ambiante, la croissance de la bactérie T. kivui s’arrête. Dans ces conditions, il est possible de stocker les cellules pendant plusieurs années et de les réactiver à tout moment. Cela permettrait également une utilisation flexible sur appel. »
Dr Adrian Eilingsfeld, Bionic Projects chez Festo
Automatisation de processus complexes
Ce qui n’était jusqu’à présent possible qu’en laboratoire, la BionicHydrogenBattery le fait à une échelle utilisable dans l’industrie. De nombreux produits de la gamme Festo assurent l’automatisation des processus biotechnologiques très complexes.
Au total, 117 types de produits Festo différents sont montés dans la pièce d’exposition (ce qui correspond à 1 089 pièces). Ainsi, le nouveau terminal de distributeurs modulaire VTUX, combiné au système d’automatisation CPX-E, commande un très grand nombre de distributeurs avec un encombrement réduit. Le transport sans problème de la solution de biomasse visqueuse dans et hors des bioréacteurs est assuré par des vannes pour fluides VYKC de notre gamme Lifetech. Le débit à travers les filtres est régulé par des vannes à manchon VZQA. Pour le dosage précis de très petits volumes de liquide dans nos réacteurs, les moteurs pas à pas EMMS-ST fonctionnent comme des pompes péristaltiques en combinaison avec des têtes de pompe. Un capteur de couleur SOEC détecte, en combinaison avec des supraparticules, même les plus petites quantités d’hydrogène.
Processus sécurisés
Les bactéries T. kivui sont anaérobies, ce qui signifie qu’elles se développent exclusivement en l’absence d’oxygène. En cas de fuite du système, les bactéries meurent immédiatement et ne présentent donc aucun risque pour l’homme. En même temps, l’absence d’oxygène empêche l’hydrogène de former un mélange inflammable. De plus, le système n’en contient que de très petites quantités à tout moment.
De l’hydrogène à l’acide formique, et vice versa
Au cours de millions d’années d’évolution, les bactéries ont optimisé leurs processus métaboliques. Nous pouvons utiliser leurs compétences en les combinant avec la technologie. Avec la BionicHydrogenBattery, nous reproduisons à petite échelle le processus biologique que nous pourrions désormais redimensionner à volonté grâce à notre technique d’automatisation.
- 1 : multiplication de la bactérie T. kivui dans des conditions optimisées dans un bioréacteur.
- 2 : l’hydrogène est produit par électrolyse à partir de l’eau.
- 3 : les bactéries transforment le CO2 et l’hydrogène en acide formique.
- 4 : l’acide est extrait et versé dans un réservoir.
- 5 : transport sûr de l’acide formique vers le lieu de retransformation.
- 6 : les mêmes bactéries décomposent à nouveau l’acide formique en ses composants, l’hydrogène et le CO2.
- 7 : l’hydrogène est à nouveau transformé en énergie électrique dans une pile à combustible.
Des solutions durables pour l’avenir
La biologisation signifie que nous n’apprenons plus seulement de la nature, mais que nous travaillons avec elle. Nous rendons ainsi possibles des innovations écologiques et des solutions respectueuses du climat pour le monde de demain et contribuons à améliorer la qualité de vie des générations actuelles et futures.
Le stockage de l’hydrogène à l’aide de bactéries, efficace sur le plan énergétique et peu risqué, offre un grand potentiel à cet égard. Il nous permet de produire et de stocker l’hydrogène lorsqu’il y a suffisamment d’énergie produite de manière durable, par ex. en été ou dans les pays riches en vent et en soleil, et de le récupérer lorsqu’il est nécessaire à la production d’énergie.
« En combinant les bactéries avec la technologie, nous pouvons utiliser leurs capacités. Ainsi, nous n’apprenons plus seulement de la nature, mais nous travaillons main dans la main avec elle. »
Sebastian Schrof, Bionic Projects chez Festo