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APRES EDF, BDF BACTERIES DE FRANCE METRA Elisa 2J RAABE Juliette 2J MAURIE Méla

APRES EDF, BDF BACTERIES DE FRANCE METRA Elisa 2J RAABE Juliette 2J MAURIE Mélanie 1STLA HARDY Thomas 1SA ROUX Victor 1SA VERGNAUD Enzo 1SC GALLET Jean-Philippe Prof Biotech LAPEYRE Gilles Prof Phys/Chim 1 Table des matières TABLE DES MATIERES ………………………………………………... 1 RESUME ………………………………………………... 2 PROBLEMATIQUE ………………………………………………... 3 HISTORIQUE ………………………………………………... 3 CONNAISSANCES THEORIQUES ………………………………………………... 3 NOS TRAVAUX ………………………………………………... 5 1ère tentative ………………………………………………... 5 2ème tentative ………………………………………………... 6 I – Pile microbienne avec un seul récipient ………………………………………………... 6 II – Pile microbienne avec deux récipients ………………………………………………... 7 III – Pile microbienne avec un seul récipient à deux compartiments sans risques de fuite ………………………………………………... 11 CONCLUSION ET PERSPECTIVES …………………………………………… 12 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES …………………………………………… 13 2 RESUME Un article scientifique sur une pile à combustible qui pourrait alimenter un stimulateur cardiaque est notre point de départ. Notre problématique apparaît : peut-on fabriquer simplement une pile microbienne ? Et quels paramètres modifient alors son fonctionnement ? Les membranes échangeuses de protons (PEM) nous bloquaient, grâce à des sites en anglais nous avons pu utiliser des ponts salins. Dans le compartiment anodique nous utilisons de la vase, ou un bouillon de culture ; dans le compartiment cathodique de l’eau distillée avec un apport de dioxygène à l’aide d’un bulleur. Nous obtenons des puissances électriques de l’ordre du mW. L’influence de certains paramètres a pu être étudiée : nature des électrodes, température de fonctionnement, nombre de bactéries mises en jeu. Des pistes futures de nouveaux paramètres : pont salin, pH, type de bactéries mises en jeu, concentration en matière nutritive, médiateurs électrochimiques et enfin remplacer notre pont salin par une PEM. 3 PROBLEMATIQUE Notre thème d’étude est la pile microbienne : comment générer de l’électricité à partir de vase ou de bactéries ? Peut-on fabriquer simplement une pile microbienne ? Et quels paramètres modifient alors son fonctionnement ? Ce thème d’étude dont l’origine remonte au début du XXème siècle fait maintenant la une de plusieurs magazines ou site web car la valorisation énergétique de nos déchets ou l’utilisation de l’énergie solaire est un enjeu mondial. Des projets innovants voient le jour : « une toiture végétalisée pourrait subvenir à 50% des besoins d’un ménage en électricité, selon Marjolein Helder » ; « une pile à combustible microbienne dans les stations d’épuration » ….. d’après quelques titres d’articles récents sur le web. Une biopile à glucose a déjà été implantée sur un mammifère et ceci ouvre des voies pour l’alimentation électrique de petits dispositifs médicaux. HISTORIQUE : Les premiers travaux sur les biopiles sont effectués en 1911 par M.C. Potter, professeur à l’Université de Durham (Royaume-Uni), qui a observé la production d’électricité par E. coli. Il a obtenu un courant électrique d’intensité 1,25 mA à partir de 6 piles (avec des électrodes en cuivre) branchées en série. Cohen, en 1931, réussit à obtenir une tension de 35 V en connectant plusieurs biopiles en série. Dans les années 60, la NASA chercha à développer ce domaine pour leurs futures missions spatiales. Dans les années 80, Peter Bennetto utilisa des médiateurs électrochimiques (thionine et résorufine) pour améliorer le transfert d’électrons entre les microorganismes et les électrodes. Les biopiles avaient alors une architecture semblable aux piles à combustible actuelle : une anode et une cathode séparée par une membrane échangeuse d’ions. Depuis la recherche a progressé et le nombre de publications sur ce domaine augmente fortement chaque année. CONNAISSANCES THEORIQUES : • Nous avons étudié en premier les piles chimiques. Nous avons observé l'évolution technique des piles à travers les années ; nous avons découvert qu'elle avait plusieurs formes : des hypothétiques piles de Bagad, puis de la pile de Volta (cylindrique) à la pile Daniell (un seul compartiment) et la pile à deux demi-piles, reliées par un pont salin. Nous avons ensuite réalisé une pile chimique à deux compartiments et expliqué son fonctionnement. Il y a deux compartiments, l'un rempli d’une solution aqueuse de sulfate de zinc avec une lame de zinc, l'autre d’une solution aqueuse de sulfate de cuivre avec une lame de cuivre, ces deux solutions étant ioniques. Pour relier nos deux demi-piles, nous utilisons un pont salin composé de nitrate 4 d’ammonium en solution aqueuse, dont on a imbibé du papier filtre qui permet le passage d'ions pour conserver l'électro neutralité de nos deux solutions. Fig 1 : schéma du fonctionnement d’une pile Dans cette pile c'est une réaction d'oxydoréduction qui s'effectue. Il y a un échange d'électrons entre le métal zinc et l’ion cuivre (II). C'est cette réaction qui est à l'origine du courant électrique. L’équation de cette réaction d'oxydoréductions est : Zn(s) + Cu2+(aq) ® Zn2+(aq) + Cu(s) Les électrons circulent à l’extérieur de la pile du pôle négatif (l'anode) au pôle positif (la cathode). • Après avoir étudié les piles chimiques, notre professeur de biotechnologies nous a donné quelques notions sur les bactéries. Ce sont des êtres monocellulaires, procaryotes (sans noyau, ni organites délimités par des membranes), qui vivent en colonies. A l’intérieur de ces colonies, les bactéries peuvent être reliées par un biofilm protéique, ou non. Certaines bactéries peuvent être aérobies, c'est-à-dire ayant besoin de dioxygène pour survivre, ou anaérobies (dans ce cas, cette molécule est comme un poison pour elles). On trouve aussi des bactéries pouvant vivre avec ou sans dioxygène (aéro-anaérobies) Pour survivre, les bactéries stockent l’énergie qu’elles ont amassée sous forme de sucres (oses…) grâce à des molécules d’ATP (adénosine triphosphate). Lors de cette transformation, se produisent de nombreuses réactions d’oxydo-réduction qui, globalement, produisent deux « déchets »: des protons, et des électrons. En effet, l’idée de la biopile bactérienne repose sur cette idée : séparer les électrons émis des protons, et leur faire traverser tout un circuit électrique, avant de s’en servir pour réduire un milieu. Le substrat présent dans le compartiment anodique est oxydé dans un métabolisme microbien (respiration cellulaire, fermentation) en conditions anaérobies, ce qui produit des électrons et des protons. Le transfert de ces électrons peut être direct si le site rédox de la bactérie est connecté électriquement à l’anode, ou indirect par l’intermédiaire de médiateurs chimiques (navettes électroniques) présents dans le milieu ou produits par la bactérie. Les électrons sont ensuite transférés via le circuit électrique externe, vers la cathode où ils sont consommés dans une réaction de réduction. 5 Fig 2 : Schéma d’une pile à combustible microbienne Nous avons effectué un grand nombre de recherche documentaire sur les biopiles, et découvert plusieurs faits : les bactéries les plus intéressantes pour la production d’électricité sont anaérobies, et on en trouve, notamment, dans la terre humide et riche de nos cours d’eau. De plus, un des meilleurs milieux à réduire semble être l’eau. NOS TRAVAUX : 1ère tentative : A partir de recherche sur le web nous avons lus que certains chercheurs utilisaient une membrane de dialyse comme membrane séparatrice des deux électrodes et l’hexacyanoferrate (III) de potassium à la cathode [Fe(CN)6 ]3 – est alors l’oxydant accepteur d’électrons) . Avant de se lancer dans la réalisation d’une telle pile nous avons voulu vérifier si le « boudin » à dialyse du laboratoire de biotechnologie ne permettait pas à l’hexacyanoferrate (III) de potassium de migrer d’un compartiment à l’autre. Malheureusement notre expérience à prouver le contraire. Fig 3 : boudin de dialyse contenant une solution Fig 4 : la solution aqueuse d’hexacyanoferrate (III) aqueuse d’hexacyanoferrate (III) de potassium de potassium a migré à travers la membrane 2ème tentative : Toutes nos recherches, en français, sur les biopiles nous ramenaient à des montages utilisant une membrane échangeuse de protons (PEM). Nous n’avons pas de membrane de ce type qui sont très chères. A partir de recherche en anglais (« how to make a microbial fuel cell ? ») nous avons trouvé différents types de biopiles qui utilisent de simples ponts salins. 6 Cette approche simple d’un point de vue matériel est confirmée : une recherche en 2005 publiée en mai 2005 a comparé des piles microbiennes à membrane et à pont salin (Electricity generation using membrane and salt bridge microbial fuel cells). I – Pile microbienne avec un seul récipient : Fig 5 : tressage métallique jouant le rôle d’électrode Fig 6 : remplissage du fond du bécher avec de la vase Fig 7 : préparation de la solution d’agar-agar saturé Fig 8 : coulage du pont salin en chlorure de sodium Fig 9 : montage électrique afin de tracer la caractéristique de la pile Les 2 électrodes sont des tressages métalliques en fer et le pont salin est de l’agar-agar saturé en chlorure de sodium. 7 Pour le milieu avec une activité bactérienne forte nous avons pris de la vase d'un canal Les bactéries que nous utilisons ne sont pas encore identifiées, d’autant plus que plusieurs organismes différents pourraient être actifs dans notre pile. Nous mesurons une tension à vide de 0,20 V et le signe de cette tension avec les polarités de branchement nous permettent d’affirmer que le compartiment anodique est en bas dans la vase en condition anaérobie et le compartiment cathodique est en haut dans l’eau distillée. La température de la pièce uploads/Ingenierie_Lourd/ 103-cr-lycee-jeay-de-beaufort.pdf