Des bactéries de l’Université d’Édimbourg produisent de l’hydrogène à partir de pain pour l’hydrogénation

Des bactéries vivantes ont permis de remplacer l’hydrogène issu des combustibles fossiles dans l’une des réactions les plus utilisées par l’industrie chimique, en fabriquant ce gaz directement à partir de pain jeté.

Cette percée transforme une opération clé de la fabrication moderne en un procédé peu énergivore, capable de fonctionner sans apport externe de gaz hydrogène.

Réaction à l’hydrogène alimentée au pain

Dans une fiole unique et hermétiquement fermée, des bactéries, nourries avec des sucres extraits de pain jeté, ont relâché de l’hydrogène en se développant en absence d’oxygène.

En exploitant ce dispositif, le professeur Stephen Wallace, à l’Université d’Édimbourg, a montré que le gaz produit au sein de cellules vivantes suffisait à alimenter une hydrogénation dans le même récipient.

Au lieu d’acheminer de l’hydrogène comprimé depuis des unités de production basées sur les fossiles, la réaction s’est déroulée à une température proche de l’ambiante, les microbes fournissant l’hydrogène en continu, au fur et à mesure.

Ce montage confiné supprime la nécessité d’un apport d’hydrogène sous haute pression ; il pose toutefois la question de la manière dont de tels systèmes « vivants » pourraient s’intégrer à de grands réacteurs industriels.

Le rôle industriel de l’hydrogène

Dans les usines, l’hydrogénation - l’ajout d’hydrogène pour stabiliser des composés chimiques réactifs - contribue à convertir des huiles, des ingrédients pharmaceutiques et des plastiques en produits exploitables.

Sur des catalyseurs métalliques, le gaz hydrogène se scinde, puis ces atomes se fixent sur des doubles liaisons, modifiant les points de fusion et le comportement chimique.

« L’hydrogénation soutient d’immenses pans de la fabrication moderne, mais elle dépend encore presque entièrement d’un hydrogène produit à partir de combustibles fossiles », a déclaré Wallace.

Le goulot d’étranglement de l’hydrogène fossile

En 2023, la production mondiale d’hydrogène a émis environ un milliard de tonnes de dioxyde de carbone, selon une nouvelle revue de l’Agence internationale de l’énergie.

La plupart des sites extraient l’hydrogène du gaz naturel ou du charbon, et cette étape libère du dioxyde de carbone avant même que les usines ne commencent l’hydrogénation.

Le transport d’hydrogène comprimé et l’exploitation de réacteurs à haute pression ajoutent des coûts énergétiques, tandis que les fuites créent des risques d’incendie que les opérateurs doivent maîtriser.

Substituer ce flux d’origine fossile par un hydrogène microbien généré dans le réacteur réduit les étapes en amont, même si les grandes installations exigeraient toujours une surveillance rigoureuse.

Des microbes producteurs d’hydrogène

Privés d’oxygène, certains microbes basculent vers la fermentation : ils tirent leur énergie du sucre sans air et rejettent de l’hydrogène comme sous-produit.

Dans les essais menés à Édimbourg, une souche standard d’Escherichia coli s’est développée sur des sucres issus du pain et a généré de l’hydrogène dans un récipient scellé.

Le fait de cultiver ces cellules sans air les a poussées à évacuer de l’hydrogène, que les chercheurs ont retenu dans le même contenant.

Comme l’hydrogène se formait à la demande, l’étape chimique a pu se dérouler à une température proche de l’ambiante, plutôt qu’avec la chaleur industrielle habituellement requise.

Le palladium au contact des cellules

Une faible quantité de palladium - un métal facilitant la fixation de l’hydrogène sur les molécules - se trouvait à la surface des bactéries pendant la réaction.

Les molécules d’hydrogène se scindaient sur ce métal, et les atomes libérés migraient ensuite vers des cibles chimiques voisines, en suspension dans l’eau.

Des images au microscope ont montré le catalyseur au plus près de la membrane cellulaire, ce qui suggère que la surface servait d’espace de travail pour la conversion.

Malgré ce contact, les bactéries ont continué à se multiplier, un point important si cette chimie devait un jour être couplée à de grands fermenteurs.

Des produits issus de miettes

Une fois le principe validé, l’équipe s’en est servie pour transformer plusieurs composés qui, d’ordinaire, nécessitent un hydrogène livré de l’extérieur.

Certaines molécules cibles provenaient de l’extérieur de la cellule, tandis que d’autres étaient d’abord produites par les bactéries, avant que le catalyseur n’achève la transformation.

Lors d’un essai, le dispositif a produit de la cétone de framboise utilisée dans des arômes ; lors d’un autre, il a généré un composé employé pour fabriquer du nylon, montrant que la réaction pouvait soutenir à la fois des matériaux de spécialité et des volumes plus importants.

Ces démonstrations sont restées confinées à des fioles de laboratoire, mais elles laissent entendre que des cellules vivantes peuvent fournir l’hydrogène nécessaire à l’industrie sans recourir à des sources fossiles.

Les déchets de pain comme matière première

Les déchets de pain s’accumulent rapidement, et les chercheurs les ont considérés comme une matière première plutôt que comme des déchets destinés à l’enfouissement ou à l’incinération.

Des enzymes ont décomposé le pain rassis en sucres simples, que les bactéries pouvaient consommer sans équipement de traitement particulier.

Au Royaume-Uni, environ un million de tonnes de pain sont gaspillées chaque année, offrant à cette approche un vaste gisement de matière première.

Recourir à des déchets plutôt qu’à de nouvelles cultures évite aussi des arbitrages liés aux terres agricoles et aux engrais, même si la collecte, à grande échelle, de flux propres reste difficile.

Mesurer les coûts carbone

Une analyse du cycle de vie formelle - un bilan complet des émissions du début à la fin - a comparé cette voie à l’hydrogénation conventionnelle.

Lorsque le pain gaspillé remplaçait l’hydrogène produit à partir de fossiles, l’analyse concluait que le procédé pouvait devenir à bilan carbone négatif, retirant davantage de gaz à effet de serre qu’il n’en ajoute.

Le fait d’éviter l’enfouissement ou l’incinération a contribué au résultat, tout comme la suppression d’une production d’hydrogène très gourmande en énergie et habituellement opérée à très grande échelle.

Ces avantages dépendent toutefois des modes locaux de gestion des déchets et des choix énergétiques ; les résultats « à bilan carbone négatif » varieront donc selon les régions et les procédés.

Changer d’échelle sans combustibles fossiles

Passer à l’échelle nécessitera davantage que de la verrerie de laboratoire, car l’industrie a besoin de réacteurs continus, d’alimentations stables et de rendements prévisibles.

Les prochaines expériences évalueront d’autres microbes et d’autres conditions, avec l’objectif d’éliminer le catalyseur au palladium et de conserver des réactions entièrement biologiques.

À l’Université d’Édimbourg, une stratégie publique « Zero by 2040 » a incité les chercheurs à identifier des étapes de fabrication moins carbonées.

« Pouvoir mener ces réactions grâce à l’hydrogène microbien ouvre de nouvelles possibilités pour une fabrication durable à grande échelle », a déclaré Wallace.

Et maintenant ?

Convertir des déchets de pain en hydrogène utilisable pour une réaction a illustré la façon dont biologie et chimie peuvent cohabiter dans un même récipient, en réduisant simultanément l’énergie consommée et les émissions.

La mise à l’échelle dépendra de l’accès à des flux de déchets fiables et de catalyseurs plus sûrs, mais le principe central montre déjà une voie au-delà d’une production manufacturière alimentée par des fossiles.