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Une nouvelle génération de piles microbiennes

Les piles à combustible microbiennes constituent une technologie prometteuse pour la production d’électricité à partir de déchets organiques. Des chercheurs européens ont entrepris d’améliorer les piles à combustible microbiennes grâce à des technologies révolutionnaires.
Une nouvelle génération de piles microbiennes
Les bactéries placées dans un environnement anaérobie produisent des électrons dont on peut se servir pour produire de l’électricité. Les piles microbiennes tirent parti de la respiration anaérobie des bactéries pour produire de l’électricité, en quantité directement proportionnelle au taux de croissance et au métabolisme des microbes.

Optimiser les communautés bactériennes avec différentes charges d’alimentation afin de gagner en efficacité au niveau du transfert d’électrons permettra d’améliorer les piles microbiennes. Pour y parvenir, les scientifiques du projet EVOBLISS, financé par l’UE, ont développé une plateforme robotique capable d’optimiser les systèmes à base de liquide en recourant à l’évolution artificielle. «Notre objectif ultime était de mener à bien des activités scientifiques fondamentales destinées à nous aider à comprendre l’évolution des bactéries afin de traiter et d’utiliser les eaux usées pour la production d’énergie», explique le professeur Kasper Stoy, coordinateur scientifique du projet.

EVOBLISS était un projet interdisciplinaire faisant appel à des technologies de pointe en matière de chimie, d'imagerie, de microbiologie et de bioénergie. Cette combinaison d'expertises était nécessaire pour parvenir à améliorer la compréhension des technologies du vivant et pour trouver la meilleure façon de concevoir et d’exploiter des systèmes biohybrides révolutionnaires.

Des piles microbiennes évolutives contrôlées par robot

Dans un premier temps, les chercheurs ont automatisé leurs expériences en développant une plateforme robotique (EvoBot) recourant à l’intelligence artificielle sous la forme de l'évolution artificielle. L’idée consistait à utiliser l’évolution assistée par robot pour concevoir des écosystèmes fonctionnels combinant des organismes vivants avec une chimie de vie artificielle susceptible d’augmenter la production d’énergie dans les piles microbiennes.

La plateforme robotique était basée sur une imprimante 3D en source ouverte, convertie pour gérer les liquides et capable de suivre les résultats des expériences en temps réel. L’exploitation d’EvoBot était possible par le biais d’un contrôleur autonome ou à distance via une page web.

EvoBot a effectué des optimisations complexes à l’aide d’algorithmes évolutifs et avait également la capacité d’intervenir dans les expériences en ajustant divers paramètres tels que l’injection de nutriments et l’élimination de produits métaboliques. Des scientifiques de l’Université de l’ouest de l’Angleterre (UWE) – un des partenaires du consortium – ont étudié diverses conditions environnementales afin d’accélérer la croissance et d’augmenter le transfert de puissance des piles microbiennes. EvoBot a réussi à optimiser la concentration en substrat du support en réponse au profil de puissance de sortie de la pile microbienne.

En utilisant la tomographie en cohérence optique, une technique d’imagerie in situ, les chercheurs ont pu contrôler pour la première fois l’intérieur de piles microbiennes en cours de fonctionnement. Cela a fourni des informations inédites sur les propriétés mécaniques et l’organisation du biofilm vivant, qui est non seulement la forme dominante de vie microbienne sur Terre, mais aussi la communauté microbienne privilégiée pour l’intérieur des piles microbiennes lors de la production d’énergie.

Dans une autre partie du projet, des chercheurs de l’UWE ont étudié divers matériaux destinés à la construction de piles microbiennes. L’argile sèche s’est imposée comme une alternative prometteuse et rentable aux membranes actuellement utilisées, élargissant ainsi les applications potentielles des piles microbiennes.

Augmenter la production d’électricité

EvoBot a été le premier robot à appliquer, surveiller et interagir avec des systèmes évolutifs, tels que des organismes vivants utilisés pour des tâches spécifiques. Les cultures microbiennes nourries par EvoBot ont affiché de meilleures performances et ont évolué pour générer suffisamment d’énergie pour alimenter un autre robot. En utilisant EvoBot, les scientifiques ont surtout observé qu’alimenter la pile microbienne de l’UWE au bon moment accélérait considérablement la période de maturation des cultures produisant de l’énergie, la faisant passer de quatre semaines à six jours.

La nouveauté consistant à disposer d’un robot alimentant une pile à combustible microbienne a été exploitée par les partenaires d’EVOBLISS au sein de la jeune et prospère start-up Flow Robotics. En outre, EVOBLISS a déployé avec succès des piles microbiennes dans des pays en développement grâce à une aide significative de la fondation Gates. Le professeur Stoy envisage «l’application de la boîte à outils technologiques EVOBLISS à d’autres problèmes de société pertinents, au-delà de la seule production d’énergie».

Mots-clés

EVOBLISS, pile microbienne, EvoBot, robot, électricité, tomographie en cohérence optique, imprimante 3D