La présente invention concerne le domaine du traitement biologique des effluents tels que des eaux usées ou des boues. Elle trouve pour application particulièrement avantageuse le domaine de la production d’hydrogène par le traitement biologique de ces effluents. ETAT DE LA TECHNIQUE

La collecte et le traitement des effluents, et plus particulièrement des eaux résiduaires, impliquent une consommation importante d’énergie. En outre, leur potentiel énergétique est à ce jour largement sous valorisé. On estime aujourd’hui à 3% la part de la consommation énergétique des États Unis dévolue au traitement des effluents de stations d’épuration. Notamment, les processus d’aération de bassins, pour la dégradation par oxydation de la biomasse, impliquent un coût énergétique important sans valorisation du potentiel énergétique de la biomasse.

Une voie de valorisation énergétique typique de la biomasse issue des eaux résiduaires est la méthanisation. Toutefois, la méthanisation est limitée à la digestion anaérobique des boues et au traitement anaérobie des effluents industriels aux forts taux de charge organique, sans quoi l’investissement associé aux unités de méthanisation n’est plus rentable. En outre, la méthanisation demande un temps de séjour long des effluents dans les unités de méthanisation, par exemple de plus de deux semaines, et nécessite un couplage avec un traitement aérobie pour finaliser l’épuration des eaux. Des systèmes électrochimiques couplés à des microorganismes ont émergé pour la valorisation énergétique des eaux résiduaires. Ces systèmes comprennent généralement des biofilms électroactifs. Il est connu d’une part des piles à combustible microbiennes comprenant une cathode à air pour la production d’électricité. D’autre part, il est connu des électrolyseurs microbiens pour la production d’hydrogène. Toutefois, ces systèmes sont limités par les faibles densités de courant pouvant transiter dans les biofilms électroactifs. Leurs performances et leurs perspectives d’industrialisation restent donc limitées.

Il est connu du document P. Belleville, et al., Low voltage water electrolysis: Decoupling hydrogen production using bioelectrochemical System, International Journal of Hydrogen Energy, 43 (32), 2018, p. 14867-14875, un système comprenant un réacteur bioélectrochimique comprenant un assemblage de piles à combustible microbiennes, configuré pour oxyder de la biomasse issue d’eaux résiduaires et produire un agent médiateur sous sa forme réduite. Le système comprend en outre un électrolyseur configuré pour oxyder le médiateur réduit et ainsi induire une production du dihydrogène. La conversion de la biomasse par ce système reste cependant optimisable.

Un objet de la présente invention est donc de proposer un dispositif permettant d’optimiser la conversion de la biomasse en un agent médiateur réduit.

Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés.

RESUME

Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation on prévoit un dispositif de conversion de biomasse en un agent médiateur d’oxydo-réduction sous une forme réduite, comprenant un assemblage de plusieurs piles à combustible microbiennes reliées en série par une ligne fluidique d’écoulement, au moins deux piles à combustible microbiennes comprenant chacune :

- un premier compartiment comprenant une anode, des microorganismes fermentatifs et des microorganismes électroactifs, et - un deuxième compartiment comprenant une cathode et une solution comprenant l’agent médiateur d’oxydo-réduction, le premier compartiment et le deuxième compartiment étant séparés par une membrane semi-perméable, et

- une résistance externe reliant la cathode et l’anode.

Avantageusement, la valeur de la résistance externe d’une desdites au moins deux piles à combustible microbiennes est distincte de la valeur de la résistance externe de l’autre desdites au moins deux piles à combustible microbiennes, de sorte à favoriser, dans l’une desdites au moins deux piles à combustible microbiennes, les microorganismes fermentatifs relativement aux microorganismes électroactifs et, dans l’autre desdites au moins deux piles à combustible microbiennes, les microorganismes électroactifs relativement aux microorganismes fermentatifs.

Ainsi, l’assemblage de piles à combustible microbiennes forme un réacteur bioélectrochimique permettant la conversion de biomasse, par exemple issue d’eaux résiduaires, en l’agent médiateur sous sa forme réduite. Cette conversion fait intervenir des réactions métaboliques successives par syntrophie entre des microorganismes fermentatifs et des microorganismes électroactifs. L’assemblage de piles microbiennes en série et une variation associée de la résistance externe le long de l’assemblage permet d’induire une ségrégation des microorganismes fermentatifs et des microorganismes électroactifs le long de l’assemblage. Une ségrégation spatiale des réactions métaboliques intervenant dans la conversion de la biomasse est donc obtenue le long de l’assemblage. Cette ségrégation des réactions métaboliques permet de maximiser leur rendement et d’améliorer la syntrophie entre les microorganismes fermentatifs et les microorganismes électroactifs.

Par rapport aux solutions existantes, le dispositif de conversion maximise le traitement de la biomasse d’un effluent, et sa valorisation énergétique sous forme d’agent médiateur d’oxydo-réduction réduit. Le dispositif permet la valorisation énergétique d’effluents de charge organique trop faible pour des unités de méthanisation. Le dispositif peut en outre être associé à des unités de méthanisation pour les compléter. Par ailleurs, la résistance externe étant variée spatialement le long de l’assemblage, le dispositif de conversion maximise le traitement de la biomasse tout en pouvant fonctionner en continu.

Un deuxième aspect concerne un système de conversion de biomasse en dihydrogène comprenant :

- un dispositif de conversion de biomasse en un agent médiateur d’oxydo- réduction sous une forme réduite, selon le premier aspect de l’invention, et - un électrolyseur configuré pour produire du dihydrogène à partir de l’agent médiateur sous la forme réduite. L’électrolyseur est donc conçu de manière ad-hoc à l’agent médiateur choisi.

Ainsi, la production de dihydrogène est découplée de la conversion de biomasse, l’agent médiateur jouant le rôle de vecteur énergétique pour la production de dihydrogène. Le rendement énergétique de production de dihydrogène est augmenté tout en diminuant son coût de production.

Un troisième aspect concerne un procédé de conversion de biomasse comprenant :

- une fourniture de biomasse à un dispositif de conversion de biomasse en un agent médiateur d’oxydo-réduction sous une forme réduite, comprenant un assemblage de plusieurs piles à combustible microbiennes reliées en série par une ligne fluidique d’écoulement, au moins deux piles à combustible microbiennes comprenant chacune : o un premier compartiment comprenant une anode, des microorganismes fermentatifs et des microorganismes électroactifs, et o un deuxième compartiment comprenant une cathode et une solution comprenant un agent médiateur d’oxydo-réduction, le premier compartiment et le deuxième compartiment étant séparés par une membrane semi-perméable, et o une résistance externe reliant la cathode et l’anode, et

- un réglage de la valeur de la résistance externe de l’une desdites au moins deux piles à combustible microbiennes de sorte que la valeur de ladite résistance externe soit distincte de la valeur de la résistance externe de l’autre desdites au moins deux piles à combustible microbiennes, et

- une conversion de la biomasse au moins en acides organiques par les microorganismes fermentatifs, et

- une réduction de l’agent médiateur d’une forme oxydée à une forme réduite, induite à partir des acides organiques par les microorganismes électroactifs, de sorte à favoriser, dans l’une desdites au moins deux piles à combustible microbiennes, les microorganismes fermentatifs relativement aux microorganismes électroactifs et, dans l’autre desdites au moins deux piles à combustible microbiennes, les microorganismes électroactifs relativement aux microorganismes fermentatifs.

Ainsi, le procédé permet d’obtenir une variation spatiale de la résistance externe dans l’assemblage de piles à combustible microbiennes du dispositif de conversion, et donc d’induire une ségrégation des microorganismes fermentatifs et des microorganismes électroactifs le long de l’assemblage. Par rapport aux solutions existantes, le procédé de conversion optimise le traitement de la biomasse, et sa valorisation énergétique. Le procédé permet de diminuer le coût de traitement de la biomasse, par rapport aux solutions mettant en œuvre un turbinage ou par injection d’air. En outre, le procédé peut être mis en œuvre de façon continue, par conversion de la biomasse le long de l’assemblage.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels :

La figure 1 représente une vue schématique d’un système de conversion de biomasse en hydrogène selon un mode de réalisation de l’invention.

La figure 2 représente une vue schématique d’une pile à combustible microbienne selon un mode de réalisation de l’invention. La figure 3 représente une vue schématique d’un assemblage de piles à combustible microbiennes, illustrées en figure 2.

La figure 4 représente une vue schématiques d’un dispositif de conversion de biomasse en un agent médiateur sous sa forme réduite, comprenant plusieurs assemblages de piles à combustible microbiennes, illustrées en figure 2. La figure 5 est un graphique de courbes courant-tension, appelées aussi courbes

IV, du dégagement de dihydrogène dans un milieu médiateur tamponné à pH 7 par une solution de dihydrogénophosphate à 0,5 M ; chaque courbe étant associée à un métal constituant la cathode de l’électrolyseur différent des autres courbes.

Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les dimensions relatives des composants du dispositif de conversion et/ou du système de conversion ne sont pas représentatives de la réalité. DESCRIPTION DÉTAILLÉE

Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles du premier aspect de l’invention qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement :

- l’assemblage de piles à combustible microbiennes comprend des microorganismes fermentatifs et des microorganismes électroactifs, leurs proportions relatives variant entre au moins deux piles à combustible microbiennes distinctes,

- l’au moins un parmi des microorganismes fermentatifs et des microorganismes électroactifs est compris dans un biofilm, par exemple pour chaque pile à combustible microbienne, - la valeur de la résistance externe d’une première pile à combustible microbienne de l’assemblage est inférieure ou égale à la valeur de la résistance externe d’une deuxième pile à combustible microbienne du même assemblage, la première pile à combustible microbienne étant située avant la deuxième pile à combustible microbienne selon une direction d’écoulement d’un fluide dans la ligne d’écoulement,

- la valeur de la résistance externe entre au moins une partie des piles à combustible microbiennes de l’assemblage, voire entre l’ensemble des piles à combustible microbiennes de l’assemblage, est décroissante selon une direction d’écoulement d’un fluide dans la ligne d’écoulement, - l’assemblage comprend un premier groupe de piles à combustibles microbiennes et un deuxième groupe de piles à combustibles microbiennes se suivant selon une direction d’écoulement d’un fluide dans la ligne d’écoulement,

- la valeur de la résistance externe d’au moins une pile à combustible microbienne du premier groupe est comprise entre 0,8Rint <Rext <1,5 Rint,

- la valeur de la résistance externe d’au moins une pile à combustible microbienne du premier groupe est supérieure à la valeur de la résistance interne de ladite pile,

- la valeur de la résistance externe Rext d’au moins une pile à combustible microbienne du deuxième groupe, est comprise entre Rint/10<Rext<4Rint/5, avec Rint la valeur de la résistance interne de ladite pile. Selon un exemple, la valeur de la résistance externe Rext d’au moins une pile à combustible microbienne du deuxième groupe, est comprise entre Ri _nt /10<R _ext <4Ri _nt /5, et la biomasse en transit dans ladite au moins une pile à combustible microbienne présente une concentration en acétate supérieure à 5 mM,

- l’agent médiateur présente un potentiel d’oxydoréduction sensiblement indépendant des variations de concentration de l’agent médiateur entre une forme oxydé et une forme réduite. Le potentiel d’oxydoréduction de l’agent médiateur peut plus particulièrement être compris dans une gamme de +/- 20%, de préférence de +/- 10%, autour de sa valeur en conditions standards à pH = 7 et à une température de 25°C. Par exemple le potentiel d’oxydoréduction de l’agent médiateur est compris entre 410 mV et 450 mV par rapport à l’Électrode Normale à Hydrogène (abrégé ENH) en conditions standards à pH 7 et à une température de 25°C,

- l’agent médiateur est un complexe hexacyanoferrate de préférence tamponné à pH 7 par une solution de dihydrogénophosphate à une concentration molaire comprise entre 0,2 et 2M, par exemple sensiblement égale à 0,5 M (ou 0,5 mol/L en unités du SI),

- de préférence, l’agent médiateur d’oxydo-réduction présente, au moins dans le deuxième compartiment de la dernière pile à combustible microbienne de l’assemblage, un couple électrochimique stable dans une large gamme de proportion entre ses formes réduite et oxydée. Plus particulièrement, le potentiel d’oxydoréduction de l’agent médiateur peut être compris dans une gamme de +/- 20%, de préférence de +/- 10%, autour de sa valeur en conditions standards à pH = 7 et à une température de 25°C,

- l’assemblage comprend au moins trois piles à combustible microbiennes reliées en série,

- le dispositif comprend plusieurs assemblages reliés en parallèle par la ligne fluidique d’écoulement,

- le dispositif comprend en tout au moins dix, voire au moins vingt, piles à combustible microbiennes,

- l’au moins un parmi des microorganismes fermentatifs et des microorganismes électroactifs est issu d’un échantillon d’effluent de station d’épuration,

- la membrane semi-perméable est une membrane semi-perméable cationique.

Des caractéristiques optionnelles du deuxième aspect de l’invention sont énoncées ci-après, qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement :

- l’électrolyseur est relié par une ligne fluidique de raccord au dispositif de conversion ;

- la ligne fluidique de raccord est configurée pour conduire, par une première portion, l’agent médiateur du dispositif de conversion à l’électrolyseur, et pour conduire, par une deuxième portion, l’agent médiateur de l’électrolyseur au dispositif de conversion, la première portion étant distincte de la deuxième portion ;

- l’électrolyseur est exempt de microorganismes fermentatifs et de microorganismes électroactifs ; - de préférence, l’agent médiateur d’oxydo-réduction circulant entre le deuxième compartiment de la dernière pile à combustible microbienne de l’assemblage et l’électrolyseur présente un couple électrochimique stable dans une large gamme de proportion entre ses formes réduite et oxydée. Plus particulièrement, le potentiel d’oxydoréduction de l’agent médiateur peut être compris dans une gamme de +/- 20%, de préférence de +/- 10%, autour de sa valeur en conditions standards à pH = 7 et à une température de 25°C. Dans ce cas, l’électrolyseur peut être exempt d’une membrane semi-perméable, ce qui est avantageux en termes de coût. Par exemple, il est avantageusement possible que l’agent médiateur soit un complexe hexacyanoferrate, de préférence tamponné à pH égal à 7, notamment par une solution de dihydrogénophosphate à une concentration molaire comprise entre 0,2 et 2M, par exemple sensiblement égale à 0,5 M (ou 0,5 mol/L en unités du SI) ;

- la cathode de l’électrolyseur est à base, voire constituée, de matériaux de type aciers inoxydables austénitiques. Ces matériaux ont l’avantage d’être commerciaux ;

- l’anode de l’électrolyseur est à base, voire constituée, d’un au moins des matériaux parmi : o des alliages riches en nickel, o du nickel pur, o des matériaux nobles type DSA® (pour « Dimensionally Stable Anode » selon la terminologie anglo-saxonne), et o un matériau connu et utilisé comme couche de diffusion gazeuse (ou GDL selon l’acronyme anglo-saxon) dans le domaine des piles à combustible (ou PEM selon l’acronyme anglo-saxon), et éventuellement fonctionnalisée par un dépôt catalytique, par exemple un dépôt de platine. Ces matériaux ont l’avantage d’être commerciaux ;

- une distance d’écartement entre l’anode et la cathode de l’électrolyseur est supérieure à 2 mm, et par exemple sensiblement égale à 4, 8 ou 10 mm. Lorsque cette caractéristique est combinée à l’ajout d’un tampon pour maintenir l’agent médiateur à un pH égal à 7, typiquement par ajout d’une solution de dihydrogénophosphate, il est avantageusement permis de doubler le rendement faradique de l’électrolyseur ; et

- l’anode de l’électrolyseur est de préférence d’une surface active au moins égale au double, de préférence au triple, d’une surface active de la cathode.

Lorsque cette caractéristique est combinée à l’ajout d’un tampon pour maintenir l’agent médiateur à un pH égal à 7 et à une distance d’écartement entre l’anode et la cathode de l’électrolyseur supérieure à 2 mm, il est avantageusement permis d’améliorer le rendement ou l’efficacité coulombique du système selon le deuxième aspect de l’invention.

Des caractéristiques optionnelles du troisième aspect de l’invention sont énoncées ci-après, qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement :

- la valeur de la résistance externe d’au moins une pile à combustible microbienne est réglée en fonction de la charge de la biomasse, notamment dans l’effluent,

- la valeur de la résistance externe d’au moins une pile à combustible microbienne est réglée en fonction de la demande chimique en oxygène de la biomasse, notamment dans l’effluent,

- la valeur de la résistance externe d’au moins une pile à combustible microbienne est réglée de façon à être comprise entre Ri _nt /10<R _ext <4Ri _nt /5 lorsqu’une concentration d’acétate mesurée en entrée de ladite pile à combustible microbienne est supérieure à 5 mM, avec R _int la valeur de la résistance interne de ladite pile, le procédé comprenant préalablement audit réglage une mesure de la concentration d’acétate en entrée de ladite pile à combustible microbienne,

- le réglage de la valeur de la résistance externe d’au moins une pile à combustible microbienne est effectué à intervalles réguliers, par exemple de façon hebdomadaire, voire quotidienne,

- le procédé comprend en outre une fourniture de l’agent médiateur sous la forme réduite à un électrolyseur,

- le procédé comprend en outre une production de dihydrogène par l’électrolyseur à partir de l’agent médiateur sous la forme réduite.

Il est précisé que dans le cadre de la présente invention, le terme « biomasse » désigne de façon générale la matière organique d'origine humaine, végétale, animale, bactérienne ou fongique.

On entend par « demande chimique en oxygène », abrégé DCO, de la biomasse, la concentration en composés oxydables présents dans la biomasse, tels que par exemple les sucres fermentescibles.

On entend par « charge » de la biomasse, la charge volumique journalière soit une quantité correspondant à la DCO par volume transitant dans le dispositif, sur une journée. La charge peut être déterminée par Q x [DCO]/V, avec Q le débit de la biomasse et V son volume, ou par t x [DCO], avec t le temps de rétention hydraulique dans le dispositif, et plus particulièrement dans l’assemblage de piles à combustible microbiennes.

De manière générale et dans le cadre de la présente invention, on entend par « agent médiateur d’oxydo-réduction », un composé recevant au moins un électron d'un autre composé chimique, par exemple une électrode, lors d'une réaction de réduction, pour passer d’une forme oxydée à une forme réduite, et cédant au moins un électron à un autre composé chimique, par exemple une électrode, lors d'une réaction d’oxydation, pour passer d’une forme réduite à une forme oxydée.

Le terme « semi-perméable » qualifie une membrane qui laisse passer, de part et d’autre de cette membrane, certains composés en solution et qui s'oppose au passage d'autres composés de la même solution. Par exemple, une membrane semi-perméable peut être configurée pour laisser passer, de part et d’autre de cette membrane, les molécules d’une taille inférieure à une taille seuil, tandis que le passage des molécules d’une taille supérieure à cette taille est bloqué. En alternative ou en complément, une membrane semi-perméable peut être configurée pour laisser passer uniquement certaines espèces chargées. Par exemple, une membrane semi-perméable cationique laisse passer uniquement les cations en bloquant les anions.

On entend par « surface active d’une électrode » la portion de la surface de contact d'au moins un électrolyte et d'une électrode sur laquelle se produit une réaction d'électrode.

On entend par un paramètre « sensiblement égal/supérieur/inférieur à » une valeur donnée, que ce paramètre est égal/supérieur/inférieur à la valeur donnée, à plus ou moins 10 % près, voire à plus ou moins 5 % près, de cette valeur.

Dans la description détaillée qui suit, il pourra être fait usage de termes tels que « précédent », « suivant », « avant », « arrière », « amont », « aval ». Ces termes doivent être interprétés de façon relative en relation avec la direction normale d’écoulement d’un fluide dans le dispositif de conversion et/ou le système de conversion. Par exemple, lorsqu’un un premier élément est situé « en amont » d’un deuxième élément, le premier élément est disposé plus près d’un point d’origine de l’écoulement d’un fluide que le deuxième élément. Au contraire, lorsqu’un premier élément est situé « en aval » d’un deuxième élément, le premier élément est disposé plus loin du point d’origine de l’écoulement du fluide que le deuxième élément.

Le système 2 de conversion de biomasse 10 est maintenant décrit en référence à la figure 1. Le système 2 est configuré pour convertir de la biomasse 10 en dihydrogène 20. La biomasse 10 peut être comprise dans un effluent. Par exemple, l’effluent est de l’eau résiduaire, c’est à dire une eau qui a fait l'objet d'une utilisation domestique, agricole ou industrielle. Dans la suite de la description, on considère à titre non limitatif que la biomasse 10 est comprise dans un effluent d’eau résiduaire.

Le système 2 comprend un dispositif 1 de conversion de la biomasse 10 en un agent médiateur 11 d’oxydo-réduction sous sa forme réduite 110. Le dispositif 1 est configuré pour dégrader la biomasse 10 et ainsi traiter l’effluent. Pour dégrader la biomasse 10, le dispositif est plus particulièrement configuré pour diminuer la charge organique de la biomasse 10, ci-après désignée charge de la biomasse, lors de l’écoulement de l’effluent dans le dispositif 1. Le dispositif 1 est en outre configuré pour créer une réserve d’énergie chimique par la réduction de l’agent médiateur 11. Cette réserve d’énergie peut ensuite être exploitée par un électrolyseur 21 configuré pour générer du dihydrogène à partir de l’agent médiateur 11 sous sa forme réduite 110. Le dispositif 1 et le système 2 permettent de valoriser le pouvoir énergétique de la biomasse d’un effluent. Le fonctionnement général du système 2 peut être le suivant, décrit en référence à la figure 1. Le dispositif 1 de conversion comprend au moins un assemblage 12 de plusieurs piles à combustible microbiennes 120, abrégés PCM dans la suite. Ces PCM sont reliées en série par une ligne fluidique d’écoulement 13. Cette ligne 13 comprend ainsi des portions servant chacune à relier fluidiquement deux PCM 120 adjacentes. La biomasse 10 peut être fournie au dispositif 1. La ligne fluidique d’écoulement 13 peut conduire l’écoulement de la biomasse 10 le long de l’assemblage 12. Les PCM sont configurées pour, le long de l’assemblage 12, dégrader la biomasse 10 et induire la réduction de l’agent médiateur 11. Ainsi, un effluent comprenant de la biomasse 10 peut être traité lors de son écoulement dans le dispositif 1 pour récupérer un effluent 10” de charge inférieure à sa charge initiale. La biomasse 10 peut être fournie en continu au dispositif 1 et s’écouler le long de l’assemblage 12 par la ligne fluidique d’écoulement 13.

Le système 2 comprend un électrolyseur 21 configuré pour oxyder l’agent médiateur 11 de sa forme réduite 110 à sa forme oxydée 111. Cette réaction d’oxydation peut être couplée à la réduction d’ions hydrogène, ou de façon équivalente des protons, de formule H ⁺ , pour induire une production de dihydrogène 20.

Pour produire du dihydrogène 20 à partir de l’agent médiateur 11 sous sa forme réduite 110, l’électrolyseur 21 peut comprendre un premier compartiment 210 comprenant une anode 2100 et une solution configurée pour permettre l’oxydation de l’agent médiateur 11. L’électrolyseur peut comprendre un deuxième compartiment 211 comprenant une cathode 2110 et une solution configurée pour permettre la réduction des ions hydrogènes. Le premier compartiment 210 et le deuxième compartiment 211 peuvent être séparés de façon à éviter le mélange de leurs solutions respectives, tout en assurant une conductivité ionique entre les compartiments 210, 211. Par exemple, le premier compartiment 210 et le deuxième compartiment 211 peuvent être séparés par une membrane 212 semi-perméable. La membrane 212 semi-perméable peut plus particulièrement être une membrane cationique, laissant passer les cations et bloquant les anions.

En alternative, pour produire du dihydrogène 20 à partir de l’agent médiateur 11 sous sa forme réduite 110, l’électrolyseur 21 peut comprendre un premier compartiment 210 comprenant une anode 2100 et une solution configurée pour permettre l’oxydation de l’agent médiateur 11 et un deuxième compartiment 211 comprenant une cathode 2110 et une solution configurée pour permettre la réduction des ions hydrogènes, l’anode 2100 présentant une surface active au moins deux fois, de préférence au moins trois fois, supérieure à une surface active de la cathode 2110. Dans ce cas, l’électrolyseur 21 peut avantageusement être exempt d’une membrane 212 semi-perméable entre les premier et deuxième compartiments 210 et 211. Alors, la solution permettant l’oxydation de l’agent médiateur 11 est la même que celle permettant la réduction des ions hydrogènes. Si l’électrolyseur 21 est exempt d’une membrane 212 semi-perméable entre les premier et deuxième compartiments 210 et 211 , il est préférable que :

- une distance d’écartement entre l’anode 2100 et la cathode 2110, cette distance étant appelée ‘entrode’, soit supérieure à 2 mm, et par exemple sensiblement égale à 4, 8 ou 10 mm, et/ou que

- l’agent médiateur d’oxydo-réduction 11 circulant entre le deuxième compartiment 1201 de la dernière pile à combustible microbienne 120c de l’assemblage 12 et l’électrolyseur 21 présente un couple électrochimique stable dans une large gamme de proportions entre ses formes réduits et oxydés. Plus particulièrement, le potentiel d’oxydoréduction de l’agent médiateur 11 peut être compris dans une gamme de +/- 20%, de préférence de +/- 10%, autour de sa valeur en conditions standards à pH = 7 et à une température de 25°C, et/ou que

- l’agent médiateur 11 soit un complexe hexacyanoferrate, de préférence tamponné à pH 7 par une solution de dihydrogénophosphate à une concentration molaire comprise entre 0,2 et 2M, par exemple sensiblement égale à 0,5 M (ou 0,5 mol/L en unités du SI). L’électrolyseur 21 peut comprendre en outre un générateur 213 permettant d’imposer la circulation d’un courant électrique entre l’anode 2100 et la cathode 2110. De préférence, le générateur 213 impose une tension entre l’anode 2100 et la cathode 2110. Cette tension est de préférence supérieure ou égale à la valeur absolue de la différence entre le potentiel d’oxydoréduction de l’agent médiateur 11 entre sa forme oxydée 111 et sa forme réduite 110 et le potentiel d’oxydoréduction du couple H ⁺ /H ₂ . Cette tension est par exemple sensiblement égale à 1,5 V.

La table suivante montre l’efficacité coulombique en fonction de la présence ou non d’un tampon phosphate et du rapport de surface entre l’anode et la cathode (mesures effectuées à 1,5 V de différence de tension entre l’anode et la cathode de l’électrolyseur) :

Grâce à la tension imposée entre l’anode 2100 et la cathode 2110, l’oxydation de l’agent médiateur 11 dans le premier compartiment 210 peut être induite selon la réaction suivante.

Med _red Med _ox + n e

Avec Med _red désignant l’agent médiateur 11 sous sa forme réduite 110, Med _ox , désignant l’agent médiateur 11 sous sa forme oxydée 111 et n un nombre entier supérieure ou égal à 1.

Grâce à la tension imposée entre l’anode 2100 et la cathode 2110, la réduction des protons dans le deuxième compartiment 211 peut être induite selon la réaction suivante.

2H ⁺ + 2e H _2(g) La réaction d’oxydoréduction globale peut alors se produire dans l’électrolyseur selon la réaction suivante, selon un exemple où l’oxydation de l’agent médiateur 11 met en jeu un électron.

2 Med _red + 2H ⁺ 2 Med _ox + H _2(g)

L’utilisation d’un agent médiateur 11 peut permettre de s’affranchir d’une production de dioxygène se produisant durant une électrolyse de l’eau. Ainsi, le risque d’explosion lié à une réaction entre le dioxygène et le dihydrogène est minimisé, voire évité. L’ajout d’un module configuré pour séparer ces gaz préalablement à leur réaction n’est pas nécessaire.

Selon un exemple, l’électrolyseur 21 est exempt de microorganismes. Ainsi, l’électrolyseur ne met pas en jeu de réaction métabolique permettant la production de dihydrogène 20. La densité de courant circulant dans l’électrolyseur n’est ainsi pas limitée par des microorganismes. La production de dihydrogène à l’électrolyseur est ainsi optimisée, ce qui offre une voie de valorisation viable d’un effluent pour la production d’hydrogène à bas coût. Le dispositif 1 peut être découplé de l’électrolyseur 21. Le dispositif 1 peut plus particulièrement être électriquement indépendant de l’électrolyseur 21. Ainsi, les paramètres électriques de fonctionnement appliqués à l’électrolyseur 21 peuvent être distincts des paramètres électriques appliqués au dispositif 1. Ces paramètres électriques peuvent par exemple être la tension et la densité de courant. Contrairement aux solutions dans lesquelles un électrolyseur est couplé électriquement à une PCM, le système 2 de conversion permet de régler de façon indépendante les paramètres électriques du dispositif 1 et les paramètres électriques de l’électrolyseur 21. Les paramètres électriques de l’un parmi le dispositif 1 et l’électrolyseur 21 peuvent ainsi ne pas limiter le fonctionnement de l’autre. La conversion de la biomasse 10 en l’agent médiateur 11 sous sa forme réduite 110, et la production de dihydrogène 20 à partir de l’agent médiateur 11 sous sa forme réduite 110, peuvent ainsi être optimisés indépendamment.

Le dispositif 1 peut être relié à l’électrolyseur 21 par une ligne fluidique de raccord 22, configurée pour conduire l’agent médiateur 11 sous sa forme réduite 110 au moins du dispositif 1 à l’électrolyseur 21. De préférence, et comme illustré par la figure 1, la ligne fluidique de raccord 22 peut comprendre une première portion 220 configurée pour conduire l’agent médiateur 11 sous sa forme réduite 110 du dispositif 1 à l’électrolyseur 21. La ligne fluidique de raccord 22 peut en outre comprendre une deuxième portion 221 configurée pour conduire l’agent médiateur 11 sous sa forme oxydée 111 de l’électrolyseur 21 au dispositif 1. La ligne fluide de raccord 22, une partie du dispositif 1 et une partie de l’électrolyseur 21 peuvent être configurés pour former un circuit fermé d’écoulement d’une solution comprenant l’agent médiateur 11. Ainsi, l’agent médiateur 11 peut circuler en continu dans le système 2. Le système 1 peut ainsi pour produire du dihydrogène en continu. Afin de maintenir une circulation de la solution comprenant l’agent médiateur 11, le système peut comprendre une pompe 23, par exemple une pompe péristaltique, disposée par exemple sur la ligne fluidique de raccord 22.

Le dispositif 1 de conversion de la biomasse 10 en l’agent médiateur 11 sous sa forme réduite 110 est maintenant décrit en référence aux figures 1 à 4. Tout d’abord, le fonctionnement d’une PCM est maintenant décrit en référence à la figure 2. Chaque PCM comprend un premier compartiment 1200 comprenant une anode 1200a et au moins un parmi des microorganismes 1200b fermentatifs et des microorganismes 1200b électroactifs. Chaque PCM comprend en outre un deuxième compartiment 1201 comprenant une cathode 1201a et une solution 1201b comprenant l’agent médiateur 11. Le premier compartiment 1200 et le deuxième compartiment 1201 sont séparés de façon à éviter le mélange de leurs solutions respectives, tout en assurant une conductivité ionique entre les compartiments 1200, 1201. Notamment, le premier compartiment 1200 et le deuxième compartiment 1201 sont séparés par une membrane semi-perméable 1202, et plus particulièrement une membrane semi- perméable cationique. Chaque PCM comprend une résistance externe 1203 reliant la cathode 1201a et l’anode 1200a. La résistance externe 1203 permet de conditionner au moins en partie le courant électrique transitant dans la PCM.

Comme illustré par la figure 2, la biomasse 10 peut être fournie par la ligne fluidique d’écoulement 13 au premier compartiment 1200 d’une PCM. La biomasse 10 peut notamment être fournie au premier compartiment 1200 par une ligne fluidique anodique 130. Les microorganismes 1200b fermentatifs dans le premier compartiment 1200 peuvent dégrader la biomasse 10 en sous-produits de fermentation, et notamment en acides organiques 10’. Notamment, les sucres fermentescibles de la biomasse 10, tels que l’amidon et le glucose, peuvent être dégradés en acide organiques tels que le lactate, le butyrate, l’acétate et le formiate. Les acides organiques 10’ peuvent ensuite être consommés par les microorganismes 1200b électroactifs, induisant un transfert d’électrons des microorganismes 1200b électroactifs à l’anode 1200a. Les électrons fournis à l’anode 1200a peuvent être conduits par un circuit électrique à la cathode 1201a au niveau du deuxième compartiment 1201. L’agent médiateur 11 sous sa forme oxydée 111 peut alors être réduit à la cathode 1201a. L’agent médiateur 11 peut être fourni à la PCM par une ligne fluidique cathodique 131, par exemple reliée à la ligne fluidique de raccord 22.

On comprend que la conversion de la biomasse 10 en l’agent médiateur 11 sous sa forme réduite 110 fait intervenir des réactions métaboliques successives par syntrophie entre des microorganismes 1200b fermentatifs et des microorganismes 1200b électroactifs. Afin d’optimiser cette conversion, le dispositif 1 est configuré pour induire une ségrégation des microorganismes 1200b fermentatifs et des microorganismes 1200b électroactifs le long de l’assemblage 12. L’assemblage 12 de PCM peut notamment comprendre des microorganismes fermentatifs et des microorganismes électroactifs, leurs proportions relatives variant entre au moins deux PCM distinctes de l’assemblage 12, voire entre chaque PCM de l’assemblage 12.

Pour induire cette ségrégation le long de l’assemblage 12, la valeur de la résistance externe1203 d’une PCM 120 est distincte de la valeur de la résistance externe 1203 d’au moins une autre PCM 120 de l’assemblage 12. Plus particulièrement, ces valeurs de résistances sont distinctes à un temps t donné. La valeur d’une résistance externe 1203 d’une PCM peut notamment être distincte de la valeur de la résistance externe 1203 d’une autre PCM 120 consécutive de l’assemblage 12. Pour cela, au moins une PCM 120 peut être électriquement indépendante d’une ou des autres PCM de l’assemblage 12. De préférence, chaque PCM est électriquement indépendant des autres PCM de l’assemblage 12. Ainsi, la résistance externe 1203 varie spatialement le long de l’assemblage 12, selon la direction d’écoulement de l’effluent dans la ligne d’écoulement 13. Cette direction est illustrée en figure 1 par les flèches 13.

Une résistance externe 1203 élevée limite le transfert de charge dans la PCM, et donc limite le développement de microorganismes 1200b électroactifs. Le développement des microorganismes 1200b fermentatifs est ainsi favorisé par minimisation de la compétition avec les microorganismes 1200b électroactifs. Notamment, lorsque la résistance externe 1203 est supérieure à la résistance interne d’une PCM, le transfert de charge est limité entre l’anode et les microorganismes 1200b électroactifs, ce qui limite leur développement. Le développement des microorganismes 1200b fermentatifs étant favorisé, la conversion de la biomasse 10 en acides organiques est optimisée.

Une résistance externe 1203 faible favorise le transfert de charge dans la PCM, et donc favorise le développement de microorganismes 1200b électroactifs, au détriment de celui des microorganismes 1200b fermentatifs. Plus particulièrement, lorsque la résistance externe 1203 est inférieure à la résistance interne d’une PCM, le transfert de charge est maximisé entre l’anode 1200a et les microorganismes 1200b électroactifs, ce qui favorise leur développement. Ainsi, la conversion des acides organiques 10’ en l’agent médiateur 11 sous sa forme réduite 110 est optimisée.

Selon la valeur de la résistance externe 1203 d’une PCM, on comprend qu’un parmi les microorganismes 1200b fermentatifs et les microorganismes 1200b électroactifs peut être favorisé dans une PCM. La valeur de la résistance externe 1203 étant spatialement variable le long de l’assemblage 12, une ségrégation entre des microorganismes 1200b fermentatifs et des microorganismes 1200b électroactifs est obtenue le long de l’assemblage 12. En outre, la variation spatiale de la résistance externe 1203 le long de l’assemblage 12 permet un traitement de la biomasse 10 en continu, par rapport à une solution dans laquelle la résistance serait variée uniquement temporellement pour une PCM, voire un ensemble de PCM.

L’assemblage 12 peut comprendre un premier groupe 120a de PCM 120 et un deuxième groupe 120b de PCM 120 se suivant, par exemple consécutivement, selon la direction d’écoulement de l’effluent dans la ligne d’écoulement 13. Selon cette direction d’écoulement, le premier groupe 120a est situé avant le deuxième groupe 120b. De façon équivalente, le premier groupe 120a est situé en amont du deuxième groupe 120b. Les deux groupes peuvent être deux moitiés des PCM 120 de l’assemblage 12. Selon l’exemple illustré en figure 1, lorsque l’assemblage 12 comprend un nombre impair n de PCM 120, le premier groupe 120a peut comprendre les (n+1)/2 premières PCM 120 de l’assemblage 12. Le deuxième groupe 120b peut alors comprendre les (n-1)/2 PCM 120 suivantes de l’assemblage 12.

La résistance externe 1203 d’une PCM en amont de l’assemblage 12, par exemple d’une PCM du premier groupe 120a, peut être choisie de façon à favoriser les microorganismes 1200b fermentatifs. La résistance externe 1203 d’une PCM en aval de l’assemblage 12, par exemple du deuxième groupe 120b, peut être choisie de façon à favoriser les microorganismes 1200b électroactifs. Ainsi, les microorganismes 1200b fermentatifs peuvent dégrader la biomasse 10 principalement dans une première portion amont de l’assemblage 12 selon la direction d’écoulement, pour fournir des acides organiques aux microorganismes 1200b électroactifs principalement dans une deuxième portion avale de l’assemblage 12 selon cette direction. Les PCM 120 en aval de l’assemblage 12 peuvent être plus peuplées en microorganismes électroactifs, utilisant les acides organiques pour la réduction de l’agent médiateur 11. Selon un exemple, la valeur de la résistance externe 1203 d’une première PCM 120 de l’assemblage 12 est inférieure ou égale à la valeur de la résistance externe 1203 d’une deuxième PCM 120 du même assemblage 12. Notamment, la première PCM 120 peut être située avant la deuxième PCM 120 selon la direction d’écoulement. L’assemblage 12 peut présenter un gradient décroissant de la résistance externe 1203 sur au moins une partie des PCM 120 le long de l’assemblage. Ainsi les proportions relatives entre les microorganismes 1200b fermentatifs et les microorganismes 1200b électroactifs évoluent progressivement le long de l’assemblage. Par progressivement, on entend que l’écart entre le pourcentage de microorganismes 1200b fermentatifs ou de microorganismes 1200b électroactifs par rapport au nombre de microorganismes total, entre deux PCM consécutives, est sensiblement inférieur à 50%, voire inférieur à 30%, voire inférieure à 20%. Les proportions relatives entre les microorganismes 1200b fermentatifs et les microorganismes 1200b électroactifs dans le biofilm peuvent par exemple être déduites de la mesure des concentrations des sous-produits de fermentation.

La résistance interne d’une PCM correspond à la somme des résistances aux transferts de charges dans le réacteur, comprenant les résistances des fils de connexion, la résistance du biofilm anodique, la résistance de chacun des électrolytes dans le compartiment anodique et dans le compartiment cathodique, la résistance de la membrane et la résistance de transfert de charge à la cathode. Pour une PCM, lorsque la résistance externe est égale à la résistance interne, il est connu que la PCM produit le maximum de puissance électrique. Chaque résistance externe 1203 peut être comprise entre R _in r50 ohm et R _int +1000 ohm. Selon un exemple, la valeur de la résistance externe 1203 d’une PCM du premier groupe 120a est comprise entre 0,8R _int <R _ext <1 ,5 R _int . La valeur de la résistance externe 1203 d’au moins une PCM 120 du premier groupe 120a peut être supérieure à la valeur de la résistance interne de cette PCM 120. Par exemple, cette PCM est la première PCM de l’assemblage 12 selon la direction d’écoulement. La valeur de la résistance externe 1203 R _ex[ d’une PCM 120 du deuxième groupe

120e, voire la dernière PCM de l’assemblage 12 selon la direction d’écoulement, peut être comprise entre Ri _nt /10<R _ext <4Ri _nt /5, avec R _int la valeur de la résistance interne de cette PCM 120. Dans les solutions existantes, la valeur de la résistance externe 1203 est généralement fixée à celle de la résistance interne pour maximiser le courant électrique circulant dans un circuit électrique entre l’anode 1200a et la cathode 1201a. Contrairement à ces solutions, un objectif est de favoriser le transfert de charge dans une PCM en aval de l’assemblage 12, en imposant une résistance externe 1203 inférieure à la résistance interne de la PCM pour optimiser la réduction de l’agent médiateur 11. Ce transfert de charge peut plus particulièrement être favorisé entre l’anode 1200a et la cathode 1201a, de la matière organique (la biomasse et/sous les sous-produits de fermentation) vers l’agent médiateur. L’agent médiateur peut présenter un potentiel d’oxydo-réduction plus élevé que celui de la matière organique. L’agent médiateur peut présenter un potentiel d’oxydoréduction de sensiblement 250mV par rapport à IΈNH. L’écart des résistances externes 1203 entre deux PCM consécutives peut par exemple être inférieur à 0, 1 R _int · Notons que ce facteur peut varier, ce facteur dépendant notamment de l’architecture de l’assemblage, du nombre de PCM et du type d’effluent.

La résistance externe 1203 d’au moins une PCM 120 de l’assemblage 12 peut être choisie en fonction de la charge de la biomasse 10. Par exemple, la résistance externe 1203 d’au moins une PCM est choisie en fonction de la DCO de la biomasse 10 fournie au dispositif 1 de conversion. La résistance externe 1203 des autres PCM peut en outre être adaptée selon un modèle expérimental ou théorique liant la charge de la biomasse 10 fournie et l’évolution prévue de cette charge le long de l’assemblage 12. La résistance externe 1203 de chaque PCM de l’assemblage 12 peut être choisie en fonction de la charge de la biomasse 10 mesurée dans chaque PCM. Ainsi, la ségrégation des microorganismes 1200b peut être adaptée à la composition de la biomasse 10, voire adaptée à l’évolution de cette composition le long de l’assemblage. Le traitement de la biomasse 10 et sa conversion en l’agent médiateur 11 sous sa forme réduite 110 sont donc encore maximisés. Selon un exemple, la résistance externe 1203 d’au moins une PCM 120 de l’assemblage 12 peut être choisie en fonction de la concentration d’acétate mesurée par exemple en entrée d’une PCM 120 de l’assemblage 12. Par exemple, la résistance 1203 peut être comprise entre Ri _nt /10<R _ext <4Ri _nt /5, lorsque la concentration d’acétate mesurée est supérieure à 5 mM. Les microorganismes 1200b électroactifs utilisent principalement les sous-produits de fermentation, et notamment les sous-produits de faible masse molaire tels que l’acétate. La résistance externe 1203 peut donc être adaptée le long de l’assemblage 12 de façon à favoriser les microorganismes 1200b électroactifs lorsque la concentration en acétate est suffisante. Ainsi, la ségrégation des microorganismes 1200b le long de l’assemblage 12 peut être adaptée à l’état de conversion de la biomasse 10 lors de son transit dans le dispositif 1.

Pour cela, le dispositif 1 peut comprendre un module de caractérisation de la biomasse 10, par exemple préalablement à sa fourniture à l’assemblage 12. Le module de caractérisation de la biomasse 10 peut en alternative ou en complément être configuré pour mesurer la DCO, voire la concentration en acétate, de la biomasse 10 dans au moins une, voire plusieurs, voire chaque PCM 120 de l’assemblage 12.

La charge de la biomasse 10 peut être évaluée à partir de la demande chimique en oxygène, abrégée DCO dans la suite. La DCO est une mesure indicative de la quantité d'oxygène qui peut être consommée par des réactions chimiques dans une solution, et notamment dans une solution aqueuse telle qu’un effluent. Les réactions chimiques peuvent plus particulièrement être des réactions d’oxydations de composés oxydables. La DCO est généralement exprimée en masse d'oxygène consommé par rapport au volume de la solution. La mesure peut par exemple se faire selon la méthode de test standard pour la détermination de la demande chimique en oxygène de l’eau (ASTM D1252-06(2020)). En unités du système international, la DCO peut être exprimé en milligrammes par litre (mg/L). Typiquement, la DCO permet de quantifier la quantité de matière organique oxydable dans de l'eau. Par exemple, la DCO permet de quantifier la quantité de polluants oxydables présents dans des effluents.

La charge de la biomasse 10 peut être caractérisée par la concentration en composés organiques volatils mesurables par chromatographie en phase liquide à haute performance (HPLC, abrégé de l’anglais High Performance Liquid Chromatography).

On peut prévoir tout autre indicateur de la charge de la biomasse 10. Les modules de mesure en ligne de cet indicateur sont connus de l’homme du métier. Par exemple, on peut citer le carbone organique total, correspondant à la teneur en carbone liée aux substances organiques dissoutes et non dissoutes dans un fluide. On peut par ailleurs citer la demande biochimique en oxygène, correspondant à la quantité de matières organiques biodégradables par oxydation biochimique par des microorganismes sur un temps donné, de typiquement 5 jours. La demande biochimique en oxygène ne représente que les composés organiques les plus biodégradables, alors que la DCO est relative à sensiblement toute la matière organique oxydable.

La disposition des PCM en cascade permet d’améliorer la sélectivité des fonctions biologiques de chaque PCM et de maximiser la production de l’agent médiateur sous sa forme réduite 110 dans le compartiment cathodique des PCM 120 du deuxième groupe 120b, par exemple dans la dernière PCM 120 de l’assemblage 12. Par cascade, on entend que des PCM 120 sont connectées fluidiquement au moins en série, voire en outre en parallèle, voire par une combinaison de connexions fluidiques en série et en parallèle, par exemple par la ligne fluidique d’écoulement 13. Sur l’ensemble de ces PCM 20, le dispositif 1 peut comprendre en tout au moins dix, voire au moins vingt, PCM 120. Plus le nombre de PCM 120 reliées entre elles est grand, plus le volume de biomasse 10 traité par le dispositif 1, en un temps donné, peut être augmenté.

L’assemblage 12 comprend au moins trois PCM 120 reliées en série, voire au moins cinq, voire au moins dix PCM en série. De façon synergique avec la caractéristique selon laquelle l’assemblage de PCM présente un gradient décroissant de la valeur des résistances externes 1203 le long d’au moins une partie de l’assemblage, plus le nombre de PCM reliées en série est grand, plus la résistance externe 1203 peut être ajustée spatialement le long de cette partie de l’assemblage 12.

Selon l’exemple illustré en figure 3, un assemblage 12 peut comprendre trois PCM 120a, 120b et 120c reliées en série. Les trois PCM 120a, 120b et 120c présentent respectivement les valeurs de résistances externes R _exi a, R _ext b, et R _exiC . Les valeurs R _ext a, R _ext b, et R _exiC peuvent être choisies de sorte que R _ext a³R _ext b³R _exiC , avec au moins une parmi R _ext a, R _ext b, et R _ext c distincte des autres valeurs. Les valeurs R _exl a, R _eX[ b, et R _ext c peuvent être choisies de sorte que R _ext a>R _ext b>R _exiC , pour former un gradient strictement décroissant. Le dispositif 1 peut comprendre plusieurs assemblages 12 reliés en parallèle par la ligne fluidique d’écoulement 13. Ainsi, le volume de biomasse traité par le dispositif, en un temps donné, peut être augmenté. Selon l’exemple illustré en figure 4, le dispositif 1 peut comprendre trois assemblages 12, 12’ et 12”. Selon l’exemple illustré, chaque assemblage 12 comprend trois PCM reliées en série. On peut prévoir que qu’au moins un assemblage 12 comprenne un nombre de PCM d’au moins un autre assemblage 12. Les valeurs des résistances externes R _exi a, R _ext b, et R _ext c ; R _ext a’, R _ext b’, et R _ext c’ ; R _ext a”, R _ext b”, et R _extC ” peuvent être différentes ou sensiblement égales entre les assemblages 12, 12’ et 12”. Ainsi, les valeurs des résistances externes 1203 peuvent être adaptées pour chaque assemblage 12 et le long de chaque assemblage 12.

La ligne fluidique d’écoulement 13 peut comprendre un ou plusieurs conduit(s) d’écoulement permettant de relier les PCM 120 du ou des assemblage(s) 12. Par exemple, comme illustré sur les figures 3 et 4, les premiers compartiments 1200 des PCM peuvent être reliés entre eux par une ligne anodique 130. Cette ligne 130 comprend ainsi des portions servant chacune à relier fluidiquement les premiers compartiments 1200 de PCM adjacentes. Cette ligne anodique peut être reliée à la ligne fluidique de raccord 22 au système 2 de conversion. Selon cet exemple, les deuxièmes compartiments 1201 des PCM peuvent être reliés entre eux par une ligne cathodique 131 distincte de la ligne anodique. Cette ligne 131 comprend ainsi des portions servant chacune à relier fluidiquement les deuxièmes compartiments 1200 de PCM adjacentes. Les premiers et deuxièmes compartiments étant isolés entre eux par une membrane semi-perméable, l’agent médiateur 11 circule ainsi dans un circuit fluidique distinct d’un circuit fluidique de la biomasse 10. La ligne fluidique d’écoulement 13 peut comprendre autant de lignes anodiques 130 et de lignes cathodiques 131 que d’assemblages 12, et chaque ligne anodique 130 et chaque ligne cathodique 131 peuvent comprendre autant de portions que nécessaire pour relier les PCM d’un assemblage deux à deux en série.

Comme illustré sur les figures 2 à 4, les microorganismes 1200b fermentatifs et/ou les microorganismes 1200b électroactifs peuvent être compris dans un biofilm. Par biofilm, on entend une communauté de microorganismes adhérant entre eux. Un biofilm peut comprendre une matrice protectrice permettant de mieux protéger les microorganismes contre un environnement extérieur, par exemple contre des polluants toxiques contenus dans un effluent. Le biofilm peut être adhérent à I’anode1200a de chaque PCM. Les microorganismes 1200b fermentatifs et/ou les microorganismes 1200b électroactifs peuvent être choisis parmi des bactéries et des champignons. Plus particulièrement, les microorganismes 1200b fermentatifs et/ou les microorganismes 1200b électroactifs sont des bactéries. Les microorganismes 1200b fermentatifs et/ou les microorganismes 1200b électroactifs peuvent être prélevés en station d’épuration, par exemple issus d’échantillon de boues de station d’épuration. Les microorganismes 1200b prélevés en station d’épuration peuvent être inoculés au dispositif 1 préalablement à son utilisation.

L’agent médiateur 11 peut présenter un potentiel d’oxydoréduction peu dépendant des variations de concentration de l’agent médiateur 11 entre sa forme oxydé 111 et sa forme réduite 110. L’agent médiateur 11 peut être tamponné par un couple acide/base, et notamment un tampon phosphate comprenant par exemple l’hydrogénophosphate de sodium, de formule chimique Na ₂ HP0 ₄ et le dihydrogénophosphate de sodium, de formule NaH ₂ P0 ₄ . Ainsi, le pH de la solution comprenant l’agent médiateur est contrôlé, ce qui permet d’éviter la dégradation de l’agent médiateur. L’agent médiateur 11 peut être compris dans une solution de pH contrôlé au moins au niveau de l’électrolyseur 21, et de préférence au niveau de l’électrolyseur 21 et du dispositif de conversion 1. Par au moins une de ces caractéristiques, voire de façon synergique entre ces deux caractéristiques, le potentiel d’oxydoréduction de l’agent médiateur est stabilisé. L’agent médiateur 11 présente ainsi une grande réversibilité et une grande stabilité pour sa conversion entre sa forme réduite 110 et sa forme oxydée 111. L’agent médiateur ainsi stabilisé peut présenter un potentiel d’oxydoréduction relativement indépendant des variations de concentration de l’agent médiateur entre sa forme oxydé et sa forme réduite. Le potentiel d’oxydoréduction peut notamment varier de moins de +/- 20%, voire +/- 10% de sa valeur standard. Le potentiel d’oxydoréduction de l’agent médiateur est compris entre 410 mV et 450 mV par rapport à IΈNH, en conditions standards à pH =7 et à une température de T=25°C.

Selon un exemple, l’agent médiateur 11 peut présenter un potentiel d’oxydoréduction inférieur à celui du couple 0 ₂ /H ₂ 0. Selon un exemple, l’agent médiateur 11 est un complexe hexacyanoferrate. L’atome de fer du complexe hexacyanoferrate peut présenter un degré d’oxydation de (III) sous sa forme oxydée 111, et un degré d’oxydation de (II) sous sa forme réduite 110. La formule chimique de l’agent médiateur peut être [Fe(CN) ₆ ] ³ sous sa forme oxydée 111 et [Fe(CN) ₆ ] ⁴ sous sa forme réduite 110. Selon cet exemple, la tension entre la cathode 2110 et l’anode 2100 de l’électrolyseur 21 peut être supérieure ou égale à 0,36 V pour être supérieure ou égale à la valeur absolue de la différence entre le potentiel d’oxydoréduction du couple H ⁺ /H ₂ et le potentiel d’oxydoréduction de l’agent médiateur 11. De préférence, la tension entre la cathode 2110 et l’anode 2100 de l’électrolyseur 21 peut être sensiblement égale à 1V. Selon cet exemple, le complexe hexacyanoferrate peut être compris dans une solution de tampon phosphate de pH sensiblement égal à 7.

Des exemples de matériaux pouvant être utilisés dans le système 1 sont maintenant donnés.

Pour chaque PCM 120, l’anode 1200a et la cathode 1201a peuvent être des électrodes en graphite. La membrane semi-perméable cationique 1202 séparant le premier compartiment 1200 et le deuxième compartiment 1201 de chaque PCM peut être une membrane de type Nafion ® perfluorée.

En cas de présence d’une membrane semi-perméable 212 de l’électrolyseur 21, l’anode 2100 peut être une mousse de nickel et la cathode 2110 peut être un feutre de graphite contenant du platine. La membrane semi-perméable 212 séparant le premier compartiment 210 et le deuxième compartiment 211 de l’électrolyseur 21 peut être une membrane semi-perméable cationique.

Dans le cas de l’électrolyseur 21 sans membrane semi-perméable 212, les alliages de nickel ou le nickel pur et les aciers inoxydables de phases austénitiques type 904L, 314 et 316L de 8% à 26% en nickel, mais aussi de 0% à 7% en molybdène, sont des matériaux potentiellement constitutifs de la cathode 2110. Plus particulièrement, comme cela est illustré sur la figure 5, on préférera les nuances d’aciers inoxydables type 904L aux autres nuances précitées et au Nickel car elles offrent de meilleures performances en termes de dégagement de l’hydrogène. L’anode 2100 peut être à base, voire constituée de, un feutre de graphite, une mousse de nickel, une électrode commerciale de type DSA®. L’anode 2100 de l’électrolyseur 21 est alors de préférence d’une surface active égale a minima au double, voire au triple, de la surface active de la cathode 2110.

Des compositions indicatives des solutions dans les différents compartiments des réacteurs sont maintenant données. Dans le compartiment anodique 1200 de la PCM 120, l’effluent peut provenir d’eaux résiduaires contenant de la biomasse 10 et dont la composition dépend du secteur d’activité (par exemple urbain, agroalimentaire ou agricole). Dans le compartiment cathodique 1201 de la PCM 120 et dans le compartiment 210 de l’électrolyseur 21, l’agent médiateur 11 peut être à une concentration comprise entre 0,1 M et 10 M et stabilisée à pH 7 avec un tampon phosphate (par exemple de composition 0,5 M de Na ₂ HP0 ₄ et 0,5 M de NaH ₂ P0 ₄ ). Le compartiment 211 de l’électrolyseur 21 peut comprendre une solution de K ₂ S0 ₄ ou Na ₂ S0 ₄ à une concentration comprise entre 0,1 et 1 M et stabilisée à pH 7 avec un tampon phosphate (par exemple de composition 0,5 M deNa ₂ HP0 ₄ et 0,5 M de NaH ₂ P0 ₄ ). Le procédé de conversion de biomasse 10 mettant en œuvre le dispositif 1 de conversion, voire le système 2 de conversion, précédemment décrit(s), est maintenant détaillé. Le procédé comprend une fourniture de biomasse 10, par exemple d’un effluent comprenant la biomasse 10, au dispositif 1. Le procédé comprend en outre un réglage de la valeur de la résistance externe 1203 d’au moins une PCM 120, voire de chaque PCM 120, selon les caractéristiques précédemment décrites. Le procédé comprend une conversion de la biomasse 10 en acides organiques 10’ par les microorganismes 1200b fermentatifs, et une réduction de l’agent médiateur 11 d’une forme oxydée 111 à une forme réduite 110.

Le réglage de la valeur de la résistance externe 1203 d’au moins une PCM 120, voire de chaque PCM 120, peut être effectué en fonction de la charge de la biomasse 10, ou d’un indicateur de cette charge. Pour cela, le procédé peut comprendre une étape de mesure de la charge de la biomasse 10, ou d’un indicateur de cette charge, préalablement à sa fourniture au dispositif 1 et/ou lors de son écoulement dans le dispositif 1. À titre d’exemple, une valeur basse de DCO pour activer le transfert anodique est sensiblement égale à 5 mg/L. En alternative ou en complément, le temps de rétention hydraulique de l’effluent dans le dispositif 1 peut être adapté en fonction de la charge de la biomasse 10. Notamment, le temps de rétention de l’effluent peut être allongé plus la charge de la biomasse 10 est faible. Pour cela, le dispositif de conversion peut comprendre une pompe 14, par exemple disposée sur la ligne fluidique d’écoulement 14 comme illustré en figure 1 Le réglage de la valeur de la résistance externe 1203 peut être effectué à intervalles réguliers, par exemple de façon hebdomadaire, voire quotidienne. L’ajustement régulier de la résistance externe permet d’améliorer la ségrégation des microorganismes 1200b et donc la production de l’agent médiateur 11 sous sa forme réduite 110 au fil de l’utilisation du dispositif 1. Le réglage de la valeur de la résistance externe 1203 peut être synchronisé entre les PCM 120 ou effectué indépendamment entre les PCM 120.

Le procédé peut en outre comprendre une fourniture de l’agent médiateur 11 sous la forme réduite 110 à l’électrolyseur 21 et une production de dihydrogène 20 par l’électrolyseur 21 à partir de l’agent médiateur 11 sous la forme réduite 110.

Le procédé peut être mis en œuvre de façon continue. Le procédé pouvant être mis en œuvre de façon continue, on comprend que ses étapes ne sont pas nécessairement successives. Selon un exemple la biomasse 10 peut être fournie en continu au dispositif de conversion 1. Selon un exemple alternatif ou complémentaire, l’agent médiateur 11 peut circuler en continu du dispositif 1 à l’électrolyseur 21 et inversement. De façon synergique avec la caractéristique selon laquelle l’agent médiateur 11 présente un potentiel stabilisé, le procédé permet ainsi une production de dihydrogène stable et continue.

Le procédé peut en outre comprendre une inoculation des microorganismes 1200b fermentatifs et/ou électroactifs au dispositif 1. Par exemple, un prélèvement des microorganismes 1200b fermentatifs et/ou électroactifs en station d’épuration peut être réalisé. Les microorganismes 1200b fermentatifs et/ou électroactifs peuvent ensuite être inoculés au dispositif 1 préalablement à, ou lors de, son utilisation. Lorsque les microorganismes 1200b fermentatifs et/ou électroactifs sont inoculés au dispositif 1 préalablement à son utilisation, le procédé peut comprendre une étape de stabilisation configurée pour que le dispositif 1 atteigne des performances stables pour le traitement de l’effluent et de réduction de l’agent médiateur 11.

Le procédé de conversion peut en outre comprendre toute étape permettant d’obtenir et/ou de mettre en œuvre une caractéristique précédemment décrite du dispositif 1 et/ou du système 2 de conversion.

Au vu de la description qui précède, il apparaît clairement que l’invention propose un dispositif permettant d’optimiser la conversion de la biomasse, par exemple issue d’eaux résiduaires, en un agent médiateur réduit. Notamment, l’invention permet de maximiser la conversion de sucres fermentescibles en l’agent médiateur réduit, utilisable pour la production d’hydrogène à bas coût par un électrolyseur. REFERENCES

1. Dispositif de conversion

10. Biomasse

10’. Acides organiques

10”. Effluent traité

11. Agent médiateur

110. Forme réduite

111. Forme oxydée

12. Assemblage

12’. Deuxième assemblage

12”. Troisième assemblage

120. Pile à combustible microbienne

120a. Première pile à combustible microbienne

120b. Deuxième pile à combustible microbienne

120c. Troisième pile à combustible microbienne

120d. Premier groupe

120e. Deuxième groupe

1200. Premier compartiment

1200a. Anode

1200b. Microorganismes

1201. Deuxième compartiment

1201a. Cathode

1201b. Solution

1202. Membrane semi-perméable

1203. Résistance externe

13. Ligne fluidique d’écoulement

130. Ligne anodique

131. Ligne cathodique

14. Pompe

2. Système de conversion

20. Dihydrogène

21. Électrolyseur

210. Premier compartiment

2100. Anode

211. Deuxième compartiment 2110. Cathode

212. Membrane semi-perméable

213. Générateur

22. Ligne fluidique de raccord 220. Première portion

221. Deuxième portion

23. Pompe