Les piles à combustible microbienne (PACMs) sont des piles capables de convertir l'énergie chimique de combustibles organiques directement en énergie électrique. Dans ces piles, l'oxydation du combustible est assurée par des micro-organismes dits "électro-actifs" qui forment des biofilms à la surface de l'anode et jouent le rôle de catalyseur des réactions électrochimiques. Les travaux qui font l'objet de ce manuscrit ont eu pour objectif d'optimiser des anodes microbiennes formées à partir de la flore bactérienne contenue dans des terreaux de jardin. Les expériences effectuées en chronoampérométrie avec un système à trois électrodes ont conduit à la première démonstration expérimentale que des densités de courant de 66 A/m2 pouvaient être obtenues en formant les anodes microbiennes sur des ultra-microélectrodes. Sur des électrodes de taille normale, la mise au point d'une nouvelle technique (polarisation retardée) pour la formation de biofilms microbiens a permis d'obtenir des densités de courant de 9,4 A/m2 après seulement 3 jours de polarisation tandis que le protocole conventionnel demandait quelques semaines pour obtenir 6 à 8 A/m2. L'étude de différents matériaux d'électrode a indiqué que l'acier inoxydable qui permit d'atteindre des densités de courant de 21 A/m2 présente un grand intérêt pour la formation de biofilms électro-actifs. En effet, les électrodes en tissu de carbone ont assuré jusqu'à 34,3 A/m2, voire 50 A/m2 en anaérobiose, mais elles bénéficiaient d'une structure tridimensionnelle. La mise en oeuvre des anodes microbiennes optimisées dans les PACMs a assuré la production de 6,0 W/m2. L'élaboration d'un nouveau prototype intégrant un système de cathode amovible a permis d'allonger la durée de vie initiale de la pile de 2 semaines à plus de 2 mois / Microbial fuel cells (MFC) are devices capable to convert chemical energy from organic fuels directly into electrical energy. In these cells, the fuel oxidation is provided by micro-organisms known as "electro-active"; these microorganism form biofilms on the surface of the anode and act as a catalyst for electrochemical reactions. The aim of this work was the optimisation of microbial anodes formed from bacterial flora contained in garden soils. The chronoamperometric experiments performed in a three-electrode system showed for the very first time in these systems that current densities of 66 A/m2 could be obtained by forming microbial anodes on ultra-microelectrodes. On electrode of normal size, the development of a new technique (delayed polarisation) for designing microbial biofilms produced current densities of 9.4 A/m2 after 3 days of polarisation, while the conventional protocol asked a few weeks for obtaining 6 to 8 A/m2. The study of different electrode materials indicated that stainless steel allowed reaching current densities up to 21 A/m2, which makes it a suitable candidate for designing electro-active biofilms. Indeed, the carbon electrodes provided up to 34.4 A/m2, even 50 A/m2 in anaerobic conditions, but the electrodes benefited of a three-dimensional structure contrasting the stainless steel electrode. The use of optimised microbial anodes in MFCs insured the production of 6 W/m2. In addition, the development of a new prototype containing a removable cathode allowed extending the lifetime of the initial MFC from 2 weeks to over 2 months

L'objectif de la thèse est d'évaluer la faisabilité de la technologie de pile à combustible microbienne pour la production d'électricité couplée au traitement d'effluents de l'industrie papetière. La première partie du travail montre que de nombreux effluents papetiers permettent de former des biofilms anodiques efficaces. Lorsque les effluents sont complémentés en acétate et l'anode polarisée à -0,3V/ECS des densités de courant de 12 A/m² et des rendements faradiques de 90% ont été obtenus. Lorsque les effluents sont utilisés comme seuls substrats, les densités de courant atteignent 6 A/m² et les rendements faradiques 30%, avec des abattements de DCO jusqu'à 50%. Les biofilms anodiques optimaux ont été associées à des cathodes à air abiotiques pour concevoir des piles complètes. Des puissances surfaciques de 294 mW/m² à 596 mW/m² ont été obtenues avec deux effluents différents.

Les piles à combustible microbiennes (PCMs) sont des dispositifs bio-électrochimiques qui utilisent des biofilms bactériens électroactifs afin de catalyser des réactions d'oxydoréduction anodique et/ou cathodique pour générer de l'énergie électrique. Afin de promouvoir le développement et la connexion des biofilms, points clé dans les performances des PCM, la surface de l'anode de graphite est fonctionnalisée par des unités pyridine. Celles-ci sont greffées de façon covalente via la réduction électrochimique de cations diazopyridinium, formés in situ à partir de précurseurs amine, en s'inspirant de la méthode d'électrogreffage des sels d'aryle diazonium. Cela permet d'obtenir une interface très robuste. En comparant la réactivité de différents dérivés aminopyridine et les propriétés des couches greffées résultantes, la réduction des cations para-diazopyridinium conduit à des films fins et compacts, bien adaptés pour favoriser l'adhésion bactérienne et le transfert d'électrons entre la surface de l'anode et les bactéries électroactives. La présence d'unités pyridine immobilisées en surface de l'anode permet un développement plus rapide du biofilm et des performances accrues de la PCM pour des biofilms jeunes. Par comparaison, une anode modifiée par des multicouches de polyphénylène puis colonisée par un biofilm bactérien se révèle moins efficace pour la catalyse de l'oxydation de l'acétate. La nature et les propriétés physicochimiques de l'électrolyte sont également un paramètre important dans le développement du biofilm bactérien. Les liquides ioniques à température ambiante présentent des propriétés uniques, notamment en termes de solvatation, et leur utilisation dans des applications biotechnologiques a récemment émergé. Toutefois, leurs effets sur les biofilms bactériens restent encore peu connus. L'ajout d'une sélection de liquides ioniques hydrophiles et hydrophobes à base de cations imidazolium ou pyridinium dans l'anolyte, même en très faible quantité, ou immobilisés à la surface de l'anode inhibe le développement du biofilm. / Microbial Fuel Cells (MFCs) are bio-electrochemical devices based on electroactive bacterial biofilms which catalyze the electron transfer both at the anode and cathode to generate electrical power. To enhance the biofilms development and to improve the biofilm-electrode connection, being both key features in the performance of the MFC, the graphite anode was functionalized by pyridine units. In order to ensure a robust interface, pyridine units are grafted covalently through the electrochemical reduction of diazopyridinium cations in situ formed from aminopyridine precursors, following the well-known electrografting method for aryl diazonium salts. By comparing the reactivity of various aminopyridine derivatives and the resulting grafted layers properties, the para-diazopyridinium cations reduction results in a thin and compact layer, which is the best suited for promoting bacterial adhesion and favorable electron transfer between the anode surface and electroactive bacteria. The presence of pyridine units immobilized on the anode surface leads to a faster biofilm development together with increased MFC performances for young biofilms. In contrast, anode modified with polyphenylene multilayers and then colonized by a bacterial biofilm has been proved to be less effective for the catalysis of acetate oxidation. On the other hand, the nature of the electrolyte and the physicochemical properties are also important parameters for the bacterial biofilm development. Room temperature ionic liquids have unique properties, particularly in terms of solvation, and their use in biotechnological applications has recently emerged. However, their effects on bacterial biofilms remain little known. The addition of a selection of hydrophilic and hydrophobic ionic liquids based on imidazolium or pyridinium cations in the anolyte, even in very small quantities, or immobilized at the anode surface inhibited the biofilm development.

Les piles à combustible microbiennes (PACM) permettent la production directe d'électricité par l'oxydation de matière organique ; à l'anode les combustibles organiques sont oxydés grâce à des microorganismes adhérés qui jouent le rôle d'électro-catalyseurs. Utiliser comme combustible la matière organique issue d'effluents ou de déchets des industries agro-alimentaires présente un double bénéfice : la réduction de l'impact environnemental et la génération d'énergie. Le travail réalisé dans le cadre de la thèse comporte trois volets : tout d'abord l'évaluation des combustibles et des sources d'inoculum en termes de capacités électro-catalytiques, ensuite la recherche de conditions opératoires favorisant la génération de courant simultanément à la biodépollution. Ces deux objectifs ont été abordés en conditions électrochimiques bien contrôlées (montages à trois électrodes, contrôle potentiostatique). Le troisième volet a porté sur la validation de ces conditions en configuration de PACM. Trois résidus issus d'industries agro-alimentaires ont été testés comme combustible : des jus de pomme fermentés, des lies du vin et des déchets de laiterie, et deux environnements comme source de micro-organismes électro-actifs : des boues anaérobies et des lixiviats de terreau de jardin. Les études en cellule électrochimique ont révélé les lixiviats de terreau comme la meilleure source de biocatalyseur et les résidus de laiterie comme le meilleur combustible. En conséquence l'amélioration du procédé a été effectuée principalement sur le couple lixiviats de terreau - résidus laitiers. Une acclimatation préliminaire de la microflore des lixiviats de terreau aux déchets de laiterie s'est révélée inutile. Des concentrations élevées des déchets de laiterie ont eu un effet négatif sur la génération de courant, bien qu'une réduction de 90% en demande chimique en oxygène (DCO) ait été atteinte. Le prétraitement de la surface de l'anode par l'adsorption du substrat a permis une augmentation du courant d'un facteur 10 par rapport à une anode non prétraitée. Les tests de températures comprises entre 10°C et 60°C suggèrent l'existence d'une large diversité de microorganismes électro-actifs. Une densité de courant de 1655 mA/m² a été atteinte à 40°C à un potentiel imposé de +0,1V/ECS sur une anode en feutre de graphite prétraitée. Différentes combinaisons « source de biocatalyseur - combustible » ont été évaluées en utilisant une PACM composée de deux compartiments séparés par une membrane échangeuse de protons et équipée d'une anode en feutre de graphite. Les meilleures performances ont été obtenues avec le lixiviat de terreau comme source de micro-organismes électro-actifs et les déchets laitiers comme combustible (92 mW/m2, 636 mA/m2). Ces résultats confirment les résultats obtenus en cellule électrochimique et se situent parmi les meilleurs dans le cadre du développement émergent des PACM pour l'exploitation de déchets bruts. / In the microbial fuel cells (MFC) electricity is produced by the oxidation of organic matter. At the anode the fuel is oxidized by the microorganisms attached to it, they act as catalyst. The use of food and agricultural industry wastes carry out to a double benefit: waste treatment and energy generation. In the present work three aspects are presented: Initially fuels and inoculum sources are evaluated in terms of their electro catalytic activity, thereafter operational parameters are studied to enhance electricity production and waste treatment. These studies are achieved in three electrodes electrochemical cells under potentiostatic control. In the last part, the materials and operational conditions selected are tested in MFC. Three wastes were tested as fuel to MFC: fermented apple juice, wine lees and dairy wastes, with two electroactive inocula: anaerobic sludge and garden compost leachate. The results in electrochemical cells indicated compost leachate and dairy wastes as the best inoculum and fuel respectively. Consequently, most of subsequent experiments were achieved with these materials. Preliminary acclimation procedure of compost leachate microbial flora to dairy wastes fuel proved not to be useful. High concentration of dairy wastes was detrimental to current generation; however the COD removal was 90%. Pre-treatment of electrode by pre-adsorbing dairy waste led to a 10-fold increase in the current density. Results from temperature test (10°C to 60°C) suggest a large diversity of electrochemically active microorganisms coming from compost. A current density of 1655 mA/m² was reached at 40°C with a pre-treated graphite felt anode under polarization at +0,1V vs. ECS. Different mixtures composed by “biocatalyst-combustible” were evaluated in a two chamber membrane microbial fuel cell, with graphite felt anode. The best performance was obtained with compost leachate as biocatalyst and dairy wastes as fuel (92 mW/m² at 636 mA/m² by polarization curve). These results confirmed those obtained in electrochemical cells and they are in the high range of performances reached with this new technology using raw materials.

Les sources hydrothermales profondes sont des édifices géologiques formés par l’infiltration d’eau de mer dans la croûte océanique, formant un fluide chaud (>400 °C), riche en métaux qui précipite pour former des cheminées dans lesquelles circulent un courant électrique. Les travaux de recherche présentés ici avaient pour objectif de révéler la présence de microorganismes capable de participer à la production de ce courant électrique ou d’utiliser cette électricité pour vivre au sein de ces cheminées électriquement conductrices. Nous nous sommes focalisés sur les microorganismes capables de survivre à haute température (entre 60 et 95°C). Différentes communautés microbienne en interaction et électroactives ont pu être cultivées permettant de poser des hypothèses crédibles quant à la colonisation primaire de ces environnements extrêmes. Ces hypothèses pourraient également s’appliquer aux théories d’origine de la vie en contexte hydrothermal. / Deep hydrothermal vents are geologic structures formed by the infiltration of seawater into the oceanic crust, forming a hot metal-rich fluid (> 400 ° C) that precipitates to form chimneys in which an electric current flows. The purpose of the research presented here was to reveal the presence of microorganisms capable of participating in the production of this electric current or of using this electricity to live within these electrically conductive chimneys. We focused on microorganisms able to survive at high temperatures (between 60 and 95 ° C). Different interacting and electroactive microbial communities have been cultivated, allowing the building of credible hypotheses about the primary colonization of these extreme environments. These hypotheses could also be applied to theories of origin of life in a hydrothermal context.

Ce travail s’oriente vers la valorisation du traitement d’eaux usées à partir de piles à combustibles microbiennes (PCM) benthiques pour la production d’électricité. Cette technologie permet la production d’électricité à partir de micro-organismes électro-actifs (EA) et d’un substrat carboné qui peut être de l’eau usée.Quatre types d’eaux usées issues de l’activité anthropique sont sélectionnés. La présence de micro-organismes EA est mise en évidence par 2 méthodes électrochimiques. En condition réelle, le milieu lagunaire présente les meilleures performances électriques (6,6 mW/m²). Celui-ci propose l’environnement le plus favorable à l’installation dePCM benthiques in-situ. Les résultats montrent une forte influence des micro-algues sur l’activité des biofilms EA. Avec un cycle jour/nuit, cette production varie en suivant les cycles d’éclairage. Les micro-algues apportent l’oxygène nécessaire aux réactions cathodiques. Les PCM améliorent également la consommation de polluants du milieu cathodique.L’alimentation de petits dispositifs tels que des capteurs passe obligatoirement par une augmentation de la tension délivrée par les biopiles. Différentes techniques d’élévation de la tension (mise en série et en parallèle de plusieurs piles, convertisseurs DC/DC) sont analysées. Un capteur de température et d’humidité a fonctionné durant plus de 15 h directement alimenté par une de nos biopiles benthiques avec une puissance de 328 µW. Sa tension de sortie est augmentée par un convertisseur de type Flyback, passant de 560 mV à plus de 5,5 V. L’utilisation de PCM in-situ dans la lagune peut constituer une alternative à la production électrique et au traitement des eaux usées. / The work described in this document is oriented to enhancing the treatment of wastewater from benthic microbial fuel cell (BMFC) for electricity production. This technology allows the production of electricity from electro-active (EA) microorganisms and carbonated substrate which may be the wastewater.Four types of wastewater from human activity are selected. The presence of EA microorganisms is highlighted by two electrochemical methods. In real conditions, the lagoon environment has the best electrical performance (6.6 mW/m²).The lagoon environment offers the most favorable environment for installation BMFC in-situ. The results show a strong influence of microalgae on the EA biofilms activities and thus on the production of electricity. In lagoon conditions, with a day/night cycle, this production varies according to the lighting cycles. Microalgae bring oxygen necessary for cathode reactions at lower cost. BMFC also improve the consumption of pollutants including organics.Electrical supply by small devices such as sensors necessarily requires an increase of the voltage delivered by BMFC. The different voltage boosting techniques such as series and parallel connections of several units or the use of DC/DC converters are performed and analyzed. A temperature and humidity sensor worked for more than fifteen hours directly powered by a BMFC with a power of 328 µW. Its output voltage is increased by a flyback type DC/DC converter, from 560 mV to more than 5.5 V. The use of PCM in-situ in the lagoon can be an alternative to the power generation and the treatment of wastewater.

Les Piles À Combustible Microbiennes (PACMs) permettent de convertir directement en électricité une partie de l'énergie contenue dans des substrats biodégradables et ce, grâce à la formation d'un biofilm électroactif à la surface de leur anode. Solutions de grapillage énergétique d'avenir, ces systèmes bioélectrochimiques pourraient ainsi, à titre d'exemple, servir à l'alimentation autonome de capteurs en zone isolée ou être plus généralement implantés au sein de stations d'épuration. Néanmoins, après maintenant une vingtaine d'années de développement, les performances des PACMs ont tendance à stagner. La solution fréquemment retenue pour améliorer leurs résultats est de développer de nouveaux matériaux d'anode en optimisant leur structure ou leur surface mais très souvent en négligeant les critères de longévité, de prix et de transposabilité à une échelle industrielle, essentiels pour cette application. L'objectif de cette étude est de proposer des anodes performantes, avec un procédé de fabrication simple, bon marché et stables dans le temps. Constituées de monofilaments d'acier inoxydable 304L enchevêtrés, les anodes que nous développons ont été dans un premier temps caractérisées mécaniquement (par compression œdométrique) et d'un point de vue microstructural (par tomographie à rayons X). Puis, leur intégration au sein de prototypes de PACMs inoculés avec des boues activées a permis de mesurer l'influence de divers paramètres architecturaux de la pile (distance inter-électrodes, surface d’électrodes, ...) et de l'anode (taille de pores, diamètre de fil, ...) sur les performances électriques, avec comme objectif principal de maximiser leur surface spécifique tout en limitant leur colmatage. Des mesures de spectroscopie d'impédance électrochimique ont également été réalisées afin d'étudier plus en détail les différents phénomènes électrochimiques entrant en jeu. Ces anodes 3D inédites s'avèrent prometteuses car elles ont permis d'obtenir des densités de puissance de l'ordre de 200 mW/m² avec un coût d'électrode, comparativement à la littérature, considérablement diminué. / Microbial Fuel Cells (MFCs) allow a portion of the energy contained in biodegradable substrates to be converted directly into electricity through the formation of an electroactive biofilm on the surface of their anode. Future energy harvesting solutions, these bioelectrochemical systems could thus, for example, be used for the autonomous power supply of sensors in isolated zone or be more generally located within wastewater treatment plants. Nevertheless, after about twenty years of development, the performances of PACMs tend to stagnate. The solution frequently used to improve their results is to develop new anode materials by optimizing their structure or their surface but very often neglecting the criteria of longevity, price and transferability on an industrial scale, essential for this application. The objective of this study is to propose efficient anodes, with a simple manufacturing process, cheap and stable over time. Consisting of entangled 304L stainless steel monofilaments, the anodes we develop were initially characterized mechanically (by odometric compression) and from a microstructural point of view (by X-ray tomography). Then, their integration into prototypes of MFCs inoculated with activated sludge made it possible to measure the influence of various architectural parameters of the fuel cell (distance between electrodes, electrode surface, ...) and of the anode ( pore size, wire diameter, ...) on electrical performance, with the main objective of maximizing their specific surface area while limiting their clogging. Electrochemical impedance spectroscopy measurements were also carried out in order to study in more detail the different electrochemical phenomena involved. These innovative 3D anodes are promising because they have made it possible to obtain power densities of the order of 200 mW / m² with an electrode cost, compared to the literature, considerably reduced.

Répondre aux besoins énergétiques croissants de nos sociétés et limiter leur impact sur l’environnement est un enjeu actuel majeur. De nouvelles technologies alternatives comptent tirer profit de sources d’énergie négligées. Le potentiel énergétique des eaux usées peut être exploité par de nouvelles technologies telles que les piles à combustible microbiennes (PACM). Ces piles, pouvant produire de l’énergie électrique à partir d’eaux usées, montrent une diminution de leur rendement énergétique lorsque leur taille augmente, ce qui ne permet pas encore leur application industrielle. Ces travaux de thèse visent à identifier certains verrous de ce changement d’échelle et à proposer de nouvelles directions pour leur optimisation. Une première partie s’est intéressée à l’influence des collecteurs de courant anodiques sur les performances électriques et sur le développement du biofilm électro-actif. Nous avons émis l’hypothèse qu’à grande échelle, les collecteurs de courant peuvent être un élément limitant à la production d’électricité. Pour vérifier cette hypothèse, quatre PACM avec une anode de 490 cm² connectée de différentes manières ont été étudiées. L’augmentation du nombre de collecteurs a permis une hausse de la puissance produite par les PACM. La disposition des collecteurs affecte la répartition du potentiel sur la surface d’anode et peut engendrer dans certains cas, des gradients de potentiel qui influencent la structure microbiologique du biofilm, en particulier Geobacter. Par ailleurs, des mesures d’impédance ont montré que multiplier les collecteurs augmente la capacité de double couche de l’anode et engendre un courant capacitif dont l’importance pour les performances de fonctionnement en cycles de charge/décharge est non négligeable. La suite du travail s’est attachée à prendre en compte différents aspects physiques, notamment l’aspect hydrodynamique, afin de modéliser leur fonctionnement. Pour cela, trois PACM de volumes différents ont été mises en œuvre et testées à différents débits. Les données de configuration, d’opération et de performances de ces piles ont permis de construire des modèles statistiques de régression linéaire multiple prédisant la valeur de puissance maximale. Ces deux modèles ont montré que la puissance maximale produite était principalement corrélée à la vitesse de l’électrolyte circulant dans la pile et à la contrainte de cisaillement appliquée à l’anode par le mouvement du fluide. Ces deux parties ont également montré que l’abondance dans le biofilm de Geobacter, une bactérie électro-active très répandue dans les PACM, n’était pas corrélée avec la puissance maximale. Tout en étant très abondante, son seul nombre n’explique donc pas entièrement les performances électriques d’une PACM. / Facing increasing energy needs and limiting their impact on the environment are current and major issues for society. Renewable energy development is needed and new alternative technologies could benefit from exploiting neglected energy sources, such as microbial fuel cells (MFC), for energy production. MFCs can be operated with wastewater and produce a reasonable quantity of energy at the small laboratory-scale. Unfortunately, when their size is increased, their efficiency dramatically decreases, which prevents their industrial use. This thesis aims at identifying some obstacles to scale-up of MFC and proposing new directions for its optimization. The first part of the study was focused on the influence of anodic current collectors on electrical performance and on electroactive biofilm development. Our hypothesis was that they could be a limiting factor for electricity production at large scales. To test this hypothesis, four MFCs were operated with a 490 cm² anode connected to the external circuit in a different ways. Increasing the number of collectors improved the power. Collector’s layout influenced electrical potential on the anode surface and created an electrical potential gradient on the anode and this gradient shaped the microbiological structure of the biofilm. This effect especially concerns Geobacter, whose clade G. metallireducens is favored at strongly negative potentials. In addition, impedance measurements showed that multiplying collectors increased the double layer capacitance and, thus, generated a capacitive current that was important for MFC functioning in cycles of charge/discharge and that would improve its performance. Then, MFCs were considered as bioreactors and their different aspects, notably hydrodynamics, were taken into account to model their power output. Three MFCs of different volumes were operated under continuous-flow conditions and tested at four different flow rates. Configuration, operation and performance data were used to build two multiple linear regression statistical models: the first with variables selection through LASSO, the second with dimensionless numbers created with the Vaschy-Buckingham theorem. These two data-driven models showed that the maximal power was mostly correlated to electrolyte transfer rates inside MFC chamber and to shear stress at the anode generated by fluid movement. These two major experimental projects also showed that the abundance of Geobacter, an electroactive bacteria, inside the biofilm was widespread in MFCs, but it was not correlated to maximal power. Despite its large abundance, its quantity alone does not entirely explain the performance of a MFC. In order to succeed at MFC scale-up, fundamental research on electroactive biofilms, process engineering and modeling need to be associated and generalized as empirical results and their explanation.

L’objectif de la thèse est d’évaluer la faisabilité de la technologie de pile à combustible microbienne pour la production d’électricité couplée au traitement d’effluents de l’industrie papetière. La première partie du travail montre que de nombreux effluents papetiers permettent de former des biofilms anodiques efficaces. Lorsque les effluents sont complémentés en acétate et l’anode polarisée à -0,3V/ECS des densités de courant de 12 A/m² et des rendements faradiques de 90% ont été obtenus. Lorsque les effluents sont utilisés comme seuls substrats, les densités de courant atteignent 6 A/m² et les rendements faradiques 30%, avec des abattements de DCO jusqu’à 50%. Les biofilms anodiques optimaux ont été associées à des cathodes à air abiotiques pour concevoir des piles complètes. Des puissances surfaciques de 294 mW/m² à 596 mW/m² ont été obtenues avec deux effluents différents. / The objective of this thesis was to assess the feasibility of the microbial fuel cell technology for the production of electrical energy coupled with the treatment of pulp and paper effluents. The first part of work showed that various pulp and paper effluents are suitable to form efficient anodic biofilms. When the effluent was supplemented with acetate and the anode polarized between at -0.3 V/SCE, current densities of 12 A/m² and Coulombic efficiencies up to 90% were obtained. When effluents were provided as the sole substrate, current densities reached 6 A/m² and Coulombic efficiencies 30%, with COD removal around 50%. The optimal anodic biofilms were associated with associated with abiotic air cathodes to design complete microbial fuel cells. Power densities from 294 mW/m² to 596 mW/m² were obtained with two different effluents.

Une Pile à Combustible Microbienne (PCM) convertit l’énergie chimique issue de l’oxydation de la matière organique directement en énergie électrique. L’oxydation du combustible est assurée par un biofilm dit « électroactif » se développant à la surface de l’anode et jouant le rôle de catalyseur microbien. L’anode microbienne formée à partir d’un consortium bactérien, issu dans cette étude de terreau de jardin, est associée à une cathode à air abiotique à la surface de laquelle se produit la réduction de l’oxygène. L’assemblage d’une anode microbienne et d’une cathode à air abiotique pour construire une PCM est un réel challenge tant les conditions optimales de chacune sont différentes. Ces travaux de thèse ont donc pour objectif d'anticiper le fonctionnement global de la PCM pour concevoir une anode microbienne et une cathode abiotique capables de fonctionner ensemble de façon optimale. Une partie expérimentale conséquente vise à concevoir une PCM optimale en menant des essais sur différents designs de réacteur. Un modèle numérique, basé sur l’expérimentation et calculant les distributions secondaires de courant et de potentiel au sein de la PCM, vient compléter l’étude expérimentale afin d’optimiser l’architecture de la PCM et maximiser les performances délivrées. La configuration « Assemblage Séparateur-Electrodes » consiste à intercaler le séparateur entre la bioanode et la cathode à air dans le but de diminuer la résistance interne du système. Ce design a permis de concevoir des PCMs délivrant d’excellentes performances jusqu’à 6.42 W.m-2. In fine, le prototype « Bioelec », utilisé comme modèle de démonstration, est réalisé à l’échelle du laboratoire avec un assemblage en série et en parallèle de plusieurs PCMs élaborées avec cette configuration « ASE ». / A Microbial Fuel Cell (MFC) can convert the chemical energy contained in low-cost organic matter directly into electrical energy. The oxidation of organic matter is performed by a biofilm known as “electroactive” that develops on the anode surface and acts as a microbial catalyst. The microbial anode, formed from indigenous bacteria of compost leachate, is combined with an abiotic air-cathode catalyzing the reduction of oxygen. The association of a bioanode and an abiotic air-cathode in an MFC is a major challenge as their optimal conditions are so divergent. The purpose of this PhD work is to anticipate the global mechanisms of an MFC in order to develop a microbial anode and an abiotic air-cathode able to operate together in an optimal way. A consequent experimental part aims to develop an optimal MFC by carrying out tests on several reactor designs. A numerical model, based on the experimental results, calculates the secondary distributions of current and potential in the cell. The model supports the experimental study and is used to optimize the MFC architecture and maximize the delivered performances. The configuration “Separator-Electrodes Assembly” consists of sandwiching the separator between the bioanode and the air-cathode in order to decrease the internal resistance of the system. This design provided excellent results as MFCs delivered great power densities up to 6.42 W.m-2. Finally, a prototype “Bioelec”, used as a demonstrative model, was built with several MFCs connected in series or in parallel, each of them designed with the “ASE” configuration.