Les déchets : des matières premières pour les bioraffineries

Dans les bioraffineries environnementales urbaines, les déchets organiques représentent une ressource intéressante : ils sont disponibles en grande quantité et leur coût est relativement faible. Leur valorisation pourrait aussi contribuer à réduire notre dépendance aux ressources fossiles.

Mais transformer des déchets en molécules utiles n’est pas si simple. Leur composition est hétérogène et variable dans le temps.

Aujourd’hui, la méthanisation est la principale technologie mature industriellement pour valoriser les déchets organiques. D’autres approches sont donc explorées pour aller plus loin et produire, à partir de ces mêmes ressources, des molécules à plus forte valeur ajoutée.

Tout commence par des électrons

Reprenons les bases. Dans le vivant, les réactions d’oxydo-réduction sont l’un des mécanismes fondamentaux pour fabriquer de l’énergie. Elles reposent sur le transfert d’électrons d’une espèce chimique à une autre. Une espèce chimique qui perd des électrons est dite « oxydée », une espèce qui gagne des électrons est dite « réduite ».

Certaines bactéries sont particulièrement intéressantes pour les chercheurs car elles sont capables de transférer des électrons à l’extérieur de leur cellule. Elles peuvent notamment les transmettre à une électrode. Ces bactéries sont dites « électrogènes ».

Cette propriété est au cœur des technologies électrochimiques microbiennes étudiées dans le projet ElectroMIC.

Quand les bactéries deviennent de petits « convertisseurs » d’énergie

Les bactéries sont mises au contact d’une électrode, en présence de déchets organiques. Elles se développent et forment un biofilm, une communauté de micro-organismes organisée à la surface de l’électrode.

Les bactéries oxydent alors la matière organique et libèrent des électrons qui sont transférés à l’électrode. Les bactéries deviennent alors, d’une certaine manière, de petits convertisseurs biologiques capables de faire passer des électrons vers un circuit électrique.

Mais le dispositif ne s’arrête pas là : ces électrons vont ensuite servir à fabriquer une nouvelle molécule.

De l’électricité pour fabriquer une nouvelle molécule

Les scientifiques font appel à l’électrosynthèse microbienne : convertir l’énergie électrique en énergie chimique grâce à des bactéries. Une sorte de pile, mais inversée !

Pour comprendre le principe, imaginons un système composé de deux compartiments (Photo 1 et Figure 1) :

• Dans le premier, on trouve les déchets organiques et des bactéries électrogènes. Elles consomment la matière organique et libèrent des électrons.
• Ces électrons circulent ensuite vers le second compartiment, où se trouvent d’autres bactéries capables de récupérer les électrons. On apporte alors du CO₂ dans ce deuxième compartiment. Les bactéries utilisent les électrons disponibles pour transformer/réduire ce CO₂ et produire une molécule d’intérêt : l’acide acétique.
   

L’acide acétique est une molécule plateforme, c’est-à-dire qu’elle peut servir de point de départ pour fabriquer d’autres molécules. Elle est notamment connue pour être responsable du goût et de l’odeur caractéristiques du vinaigre.

Aujourd’hui, l’acide acétique est principalement produit industriellement à partir de ressources fossiles. Avec le procédé étudié par le projet ElectroMIC, l’objectif est donc de faire d’une pierre deux coups : valoriser des déchets tout en fabriquant des molécules biosourcées.

Faire travailler les bonnes bactéries

Les bactéries utilisées dans les différents compartiments proviennent notamment de boues issues du traitement des eaux usées. Les chercheurs et chercheuses cherchent ensuite à créer, dans chaque compartiment, des conditions favorables aux micro-organismes qui les intéressent : température, pH, présence ou absence d’oxygène…

Dans le premier compartiment, les conditions favorisent les bactéries électrogènes. Dans le second, on cherche à favoriser les bactéries acétogènes, capables de transformer le CO₂ en molécules comme l’acide acétique.

Mais ces bactéries ne sont pas seules. D’autres micro-organismes, notamment des archées méthanogènes, peuvent également utiliser les électrons disponibles. Elles entrent alors en compétition avec les bactéries acétogènes.

Pourquoi ne pas éliminer toutes les autres espèces pour ne garder que les bactéries recherchées ?

Parce que ce n’est pas simple, ni forcément souhaitable. Il serait d’abord difficile d’éviter complètement la présence d’autres micro-organismes. De plus, certaines espèces peuvent se compléter/collaborer et contribuer ensemble au bon fonctionnement de la communauté microbienne.

Du laboratoire au produit : quand l’acceptabilité entre en jeu

La levée des verrous technologiques est essentielle pour favoriser l’innovation dans le développement de produits biosourcés mais elle ne suffit pas à elle seule. Les produits biosourcés doivent également répondre aux attentes des industriels et des consommateurs.

Le projet ElectroMIC permet d’illustrer cette question avec un exemple concret. L’acide acétique peut ensuite être transformé en pigment grâce à une levure. À terme, ces pigments biosourcés pourraient constituer une alternative aux colorants synthétiques issus de ressources fossiles dans l’industrie textile.

En lien avec le projet PANGOLIN, également soutenu par le PEPR Bioproductions, les chercheurs et chercheuses se sont intéressés à la perception des colorants biosourcés dans l’industrie textile.

Du côté des industriels, ces colorants sont perçus comme une possibilité de se différencier. Leur adoption dépend toutefois de plusieurs conditions : ils doivent démontrer un intérêt environnemental et être compatibles avec les contraintes techniques et économiques du secteur.

Du côté des consommateurs, la nature du colorant semble jouer un rôle limité dans leurs choix. Si l’idée de circularité peut être perçue positivement, l’utilisation de biodéchets comme matière première peut aussi susciter des interrogations ou des réticences.

Cela montre que la transition vers une économie circulaire ne repose pas uniquement sur la mise au point de nouvelles technologies. Elle implique aussi de réinventer les chaînes de valeur et la manière dont les produits sont perçus par le marché.

« L’économie circulaire c’est aussi réinventer les chaînes de valeur. » 
Théodore Bouchez, Directeur de recherche à INRAE et responsable du projet ElectroMIC.

Vers des bioraffineries plus circulaires

A terme, l’objectif serait de coupler le processus de l’électrosynthèse microbienne aux méthaniseurs des bioraffineries environnementales urbaines.

L’intérêt serait notamment de pouvoir valoriser le CO₂ produit lors de la méthanisation, plutôt que de le considérer uniquement comme un sous-produit. Il pourrait ainsi devenir une nouvelle source de carbone pour fabriquer des molécules d’intérêt grâce aux micro-organismes.

Le projet ElectroMIC explore ainsi une voie encore en développement, à la croisée de la microbiologie et de l’électrochimie, avec l’objectif de transformer nos déchets en véritables ressources pour les bioproductions de demain.

Remerciements à Théodore Bouchez (Directeur de recherche, INRAE, UR PROSE) et Louise Rigaud (Doctorante, INRAE, UR PROSE) pour leur contribution à l’élaboration de cet article.