La cellule d’électrolyse microbienne (CEM) permet la conversion de la biomasse en dihydrogène via un apport théorique en énergie électrique 10 fois moindre que celui de l’électrolyse de l’eau. Un tel procédé fonctionne via la technologie des bioanodes, qui permet la catalyse de l’oxydation de la biomasse en CO2 par l’intermédiaire d’un biofilm électro-actif. Les travaux exposés dans ce manuscrit de thèse ont pour but l’optimisation des performances de la bioanode, la compréhension des mécanismes de catalyse et la réalisation d’un prototype à échelle laboratoire. L’optimisation par l’étude de paramètres opératoires en montage 3 électrodes a montré que l’utilisation de sédiments de salins comme source de micro-organismes avec électrode en feutre de carbone polarisée à + 0,1 V / ECS à une température de 40°C permet la formation de bioanodes capables de débiter jusqu’à 85 A.m-2 pour une conductivité de 10,4 S.m-1. A 30°C, le pyroséquençage ADN a mis en lumière l’émergence des genres bactériens Desulfuromonas et Marinobacter. La conception et l’exploitation d’un modèle de voltammétrie cyclique a montré que le transport des électrons au sein du biofilm était environ 100 fois plus lent que le métabolisme bactérien. L’utilisation de la spectroscopie d’impédance électrochimique montre que la résistance au transfert de charge à l’interface électrode/solution baisse de 24 kΩ.cm2 à 64 Ω.cm2 lors de la formation du biofilm. Un taux de production maximum de 2,85 LH2.L-1.j-1 ainsi qu’une durée de vie de plus de 50 jours du procédé ont été obtenus lors de la conduite d’un prototype laboratoire de CEM. / Microbial electrolysis cell (MEC) is a recent and promising bioelectrochemical process that converts biomass onto hydrogen thanks to an amount of electrical energy 10 times smaller than for water electrolysis. The operation of the process is making possible by the bioanode technology which catalyses the biomass combustion onto CO2 through an electro-active biofilm. The purpose of the present work consists on the optimisation of the bioanode, the understanding of the catalysis mechanism and a scaling-up by the designing of a MEC prototype. Using a three-electrode device and sediment of salt marshes as inoculum, the study of the experimental parameters demonstrated that carbon felt poised at + 0.1 V /ECS at 40°C led to the formation of bioanode able to generate up to 85 A.m-2 at a solution conductivity of 10,4 S.m-1. For a temperature of 30°C, DNA pyrosequencing denoted the presence of the two bacterial genera Desulfuromonas and Marinobacter. The development and the exploitation of a cyclic voltammetric model showed that electron transfer within the biofilm ran almost 100 times slower than bacterial metabolism. Electrochemical impedance spectroscopy during biofilm formation revealed a decreasing of the charge transfer resistance at the electrode/solution interface from 24 kΩ.cm2 to 64 Ω.cm2. Designing and first experiments with a 6L CEM prototype led to a hydrogen production rate of 2.85 LH2.L-1.j-1 and a process life time of up to 50 days. Those performances were achieved in a reproducible way.

Notre étude porte sur la preuve de concept de contrôle électrochimique de la méthanogénèse, métabolisme clé de la digestion anaérobie et de la bioremédiation des eaux, en exploitant le principe des piles à combustible microbiennes. Une première partie bibliographique vise à décrire les mécanismes de la méthanogénèse dans le contexte de l'auto-épuration des eaux et de production naturelle de gaz à effet de serre (GES). Les technologies de pile à combustibles microbiennes y sont traitées. Une analyse critique des études sur le contrôle électrochimique de la méthanogénèse permet de dimensionner un montage expérimental dédié à la quantification des GES en cultures biologiques électro-stimulées. Sa conception, sa validation ainsi que les méthodes de mise en culture sont décrites dans une seconde partie. Une série de cultures préliminaires sur des boues digérées anaérobies de station d'épuration permettent d'identifier et fixer les paramètres expérimentaux. Dans une troisième partie, une étude expérimentale fait la preuve de concept de contrôle électrochimique de la méthanogénèse avec une diminution significative de 33% en CH4 (tension de +300 mV vs Ag/AgCl) par rapport à la méthanogénèse naturelle non stimulée. Toutefois, la stimulation contribue à multiplier par 10 la production de CO2. Ce constat amène la problématique supplémentaire d'impact sur l'effet de serre des cultures étudiées. Nous allons donc plus loin que l'objectif initial en nous intéressant à l'empreinte carbone générée par l'ensemble des GES. Le traitement électrochimique, outre la diminution du CH4 produit, permet de diminuer la contribution à l'effet de serre de 15% des cultures électro-stimulées / Our study focuses on the proof of concept of electrochemical control of methanogenesis, key metabolism of anaerobic digestion and water bioremediation, using the principle of microbial fuel cells. A first bibliographic section aims to describe the mechanisms of methanogenesis in the context of self-purification of water and natural production of greenhouse gases (GHG). Microbial fuel cell technologies are addressed. A critical analysis of the studies dealing with electrochemical control of methanogenesis makes it possible to size an experimental setup dedicated to quantification of GHGs in electro-stimulated biological cultures. Its design, validation and methods of cultivation are described in a second part. A series of preliminary cultures on anaerobic digested sewage sludge make it possible to identify and set the experimental parameters. In a third part, an experimental study proves the concept of electrochemical control of methanogenesis with a significant decrease of 33% in CH4 (voltage of +300 mV vs Ag/AgCl) compared to natural unstimulated methanogenesis. However, stimulation contributes to a 10-fold increase in CO2 production. This observation leads to the additional problem of impact on the greenhouse effect of the cultures studied. We go further than the initial objective by looking at the carbon footprint generated by all GHGs. The electrochemical treatment, in addition to the reduction of CH4 produced, makes it possible to reduce the contribution to the greenhouse effect of 15% of electro-stimulated cultures