CO2 Storage and Utilization through biologically induced calcium carbonate precipitation in phototrophic sulfur cycle

Ce projet vise à explorer le potentiel de micro-organismes photosynthétiques, les bactéries phototrophes anoxygéniques sulfureuses (APSB), pour le traitement et la valorisation du CO2 et de l’H2S contenus dans des effluents industriels ou du biogaz. En effet, par leur métabolisme autotrophe, les APSB présentent l’avantage d’oxyder l’H2S sous forme de sulfates et d’utiliser le CO2 comme source de carbone, tout en induisant des conditions favorables à la précipitation des carbonates. La bioprécipitation des carbonates est un processus naturel, qui une fois amplifié dans un bioréacteur anaérobie phototrophique, pourrait permettre l’utilisation du CO2 comme source de carbone, tout en le stockant de manière stable et durable, à la fois sous forme de biomasse et de précipités.L’étude s’est d’abord concentrée sur la cinétique de croissance et le métabolisme photoautotrophique des APSB. Des expériences en mode batch de culture de la souche pure Allochromatium vinosum, ont été menées avec exposition continue à des LED infrarouge et milieu inorganique synthétique. Le carbone inorganique, les espèces soufrées (H2S, S0, S2O32-, SO4-), certains ions (NH4+, PO42-, Ca2+, etc.), la demande chimique en oxygène, la densité optique et le pH ont été mesurés pour suivre la croissance et l’activité photoautotrophe de A.vinosum. Les résultats ont permis le développement et la calibration d’un modèle numérique de la croissance des APSB sur différents substrats soufrés, représentant l’évolution des différents nutriments et de la biomasse. Il représente correctement les données de l’étude mais également des données de la littérature, qu’elles soient basées sur des cultures pures ou des cultures mixtes.L’étude s’est ensuite portée sur la précipitation abiotique des carbonates de calcium, d’un point de vue expérimental et numérique. Des expériences de précipitation ont été réalisées dans différentes conditions abiotiques proches de celles nécessaires à la croissance des APSB (milieu nutritif complexe, pH alcalin, différents indices de saturation) et les données acquises ont permis la conception d’un modèle sur le logiciel Aquasim. Ce modèle prend en compte différentes réactions de précipitation et polymorphes de carbonates de calcium, ainsi que d’autres précipités pouvant rentrer en compétition avec la précipitation des carbonates de calcium, comme les phosphates de calcium. Le modèle développé permet une bonne prédiction des cinétiques de précipitation des carbonates de calcium dans les conditions de l’étude.Les deux modèles ont donc été couplés afin d’explorer le potentiel de l’activité photoautotrophique des APSB pour induire la précipitation de carbonates de calcium. À notre connaissance, c’est la première fois qu’un tel modèle global est proposé pour la croissance autotrophe des APSB couplé à la bioprécipitation des carbonates. Des simulations ont été faites en mode batch avec différentes concentrations initiales en calcium et phosphore afin d’étudier la compétition biomasse/précipitation pour l’accès aux phosphates et ont montré qu’une diminution des phosphates permettrait de limiter la formation de phosphates de calcium sans limiter la croissance des bactéries. D’autres simulations en continu avec variation de temps de séjour, du flux de sulfures et projection d’un scénario avec injection de biogaz ont permis de discuter du potentiel de ce procédé pour la capture de CO2.Un tel procédé ne pouvant pas être mis en pratique avec une souche pure pour des raisons techniques, des tests de sélection d’APSB ont été mis en œuvre. Des expériences d’enrichissement en semi-batch ont été faites avec un mélange A.vinosum:eaux usées comme inoculum. Hormis l’inoculum, des conditions identiques aux premières expériences présentées dans cette étude ont été appliquées. Les résultats obtenus ont montré que même en présence d’eaux usées riches en micro-organismes, l’activité photoautotrophique reste dominante, ce qui est prometteur pour la suite du projet.