+ 2020 DYNABIOCAT – Hydrogel biocatalytique supporté sur une mousse élastomère pour la conception d’un réacteur dynamique original et performant pour la transformation du CO2

projet inter carnot

Porteur du projet

David EDOUARD Laboratoire CP2M

david.edouard@nulluniv-lyon1.fr

Laboratoire(s) membre(s)

• Laboratoire d’Automatique, Génie des Procédés, Génie pharmaceutique – UMR CNRS 5007 LAGEPP
• Laboratoire Catalyse, Polymérisation, Procédés et Matériaux – UMR 5128 CP2M

Durée : 2 ans
Financements : 50 k€

en collaboration avec 
  

Axe(s) de recherches

• Énergies
• Matériaux multifonctionnels recyclables

La recherche de solutions permettant de réduire l’augmentation de la température de la planète est un des problèmes le plus important auquel le monde et les générations futures doivent faire face. Actuellement l’option choisie consiste à réduire la production de CO₂, un des principaux gaz à effet de serre émanant surtout des pays industrialisés. Ainsi, ces pays contraignent leurs entreprises à maitriser la production de CO₂ via une politique de taxation mais celle-ci ne peut être totalement nulle.

Une alternative apparait alors évidente, la transformation du CO₂. Plusieurs procédés développés se sont heurtés aux verrous suivants : trop faible activité du catalyseur permettant la transformation du CO₂ en carbonate et accumulation de ces sels solides diminuant les performances des procédés utilisés.

Le projet DYNABIOCAT propose de lever ses deux principaux verrous à travers la conception d’une technologie innovante d’intérêt industriel à très fort impact sociétal.

L’anhydrase carbonique (AC) est le biocatalyseur qui transforme le plus efficacement le CO₂ en carbonate. Mais cette enzyme est onéreuse excluant jusqu’à lors son utilisation dans un procédé industriel. Notre projet propose d’encapsuler l’AC dans un hydrogel supramoléculaire équipant un réacteur pulsé sous flux. A la différence des technologies actuelles de greffage d’enzymes sur des supports solides conduisant à terme à leur désactivation, l’encapsulation d’enzymes dans un réseau auto-assemblé n’impose aucune contrainte mécanique prolongeant leur durée de vie. D’autre part, le caractère aqueux du gel, associé à un flux d’eau à travers le réseau va permettre d’éviter l’accumulation de sels de carbonate, rendant le procédé performant dans le temps. Enfin, basé sur le caractère élastique du lit catalytique, des cycles de compression/détente de ce dernier vont permettre l’intensification des transferts gaz-liquide, représentant ainsi une rupture avec les technologies actuelles de captage du CO2.

RESULTATS

La recherche en partenariat avec l'institut Charles Sadron a permis :

- de développer le première réacteur gaz-liquide à lit dynamique déformable. Cette prouesse technologique est basée sur l’utilisation d’un simple vilebrequin et la mise en œuvre « astucieuse » de deux mousses commerciales élastomères en opposition de phase.
- de démontrer clairement l’intérêt de cette technologie pour l’intensification des phénomènes de transfert du gaz à l’eau (notamment avec l’utilisation du CO₂ comme gaz).
- de proposer une solution technique simple (insert d’un compartiment catalytique entre deux blocs de mousses élastomères) pour s’affranchir du problème de la tenue mécanique de l’hydrogel

Actuellement le pilote et la modélisation qui l’accompagne sont opérationnels et des tests catalytiques sur l’hydrogénation sélective d’alcynes sont en cours d’investigation au laboratoire CP2M (ANR EFR)

Ces avancées ont permis au laboratoire CP2M de renforcer son leadership dans le domaine de l’ingénierie chimique et plus particulièrement dans celui de l’innovation des procédés dynamiques. Cette avancée se traduit directement par l’obtention de financement de deux projets en 2022 (avec deux thèses en 2023) pour continuer ces travaux de recherche. Une thèse est plus axée sur la compréhension des phénomènes dynamique mis en jeu et leurs modélisations (ANR 2022 - CE51 -0007) et la deuxième a pour objectif le développement d’un pilote à lit dynamique pour la carbonatation des gravât de béton (CARBOaq – inter labo Carnot) en continue. Ce dernier projet est en collaboration avec un industriel de secteur.

Ce projet scientifique s’adresse plus particulièrement aux filières industrielles émettrices de CO₂, notamment les unités de méthanisation qui à partir des déchets issus de la biomasse produisent du biogaz composé principalement de méthane et de dioxyde de carbone mais aussi les centrales électriques à charbon/pétrole, cimenterie, sidérurgie, raffineries et centrales d’épuration/retraitement. 
- la filière chimie et matériaux
- la filière transformation et valorisation des déchets
- la filière nouveaux systèmes énergétiques.

 

 

IMPACTS - PRODUCTION

Article dans un journal avec un « high impact factor « 16.7
2023. Michaud, F. Bornette, E. Rautu, S.H. More., M. Leonardo, M. Mendez, L. Jierry, D. Edouard, Unprecedented continuous elastic foam-bed reactor for CO₂capture. Chemical Engineering Journal, 452 (1): 138604, 2023. Unprecedented continuous elastic foam-bed reactor for CO2 capture - ScienceDirect

Communication Orale:

(i) M. Michaud, L. Birba, F. Bornette, F. Campoli, P. Fongarland, D. Edouard, Réacteur à lit dynamique – Intensification des transferts gaz-liquide, Application : hydratation du CO₂, Codegepra 2021, Grenoble, France, 25 Novembre 2021.

1^er Prix de la meilleure présentation/poster : M. Michaud

https://codegepra.univ-grenoble-alpes.fr/codegepra/js-2021-grenoble-1147230.kjsp?RH=6718901946031529

https://www.youtube.com/watch?v=qT33Jx0BQBA

(ii)  D. Edouard, M . Michaud, Réacteur innovant à lit élastique - Intensification des transferts gaz-liquide. Application : captage du CO_2, SFGP, Toulouse, Novembre 2022

Posters:

(i) M. Michaud, E. Rautu, M. Martinez-Mendez, L. Jierry, D. Edouard, Coupling of bio-catalytic reaction using enzymatic-coated foam with a breakthrough technology: the Elastic Foam Reactor – Application to CO₂ hydration, ISGC 2022, La Rochelle, France, 16-20^th May 2022.

(ii) M. Michaud, D. Edouard, L. Birba CO₂ dissolution improvement with an innovating Elastic Foam Reactor (EFR), FC2GChem 2021, Lyon, France, 25-28th October 2021.

Vulgarisation scientifiques :

(i) Invité pour le N°100 de la Rubrique « un point sur », Décembre 2022.
100. Michaud, D. Edouard, Les mousses polymères poreuses : un avenir prometteur pour l’ingénierie chimique. Actualité Chimique, Rubrique « un point sur » – N°100. untitled (societechimiquedefrance.fr)

(ii) article de vulgarisation dans les techniques de l’ingénieur: Un nouveau réacteur à lit dynamique pour transformer le CO2 gazeux en liquide | Techniques de l'Ingénieur (techniques-ingenieur.fr)

                Les excellents résultats obtenus avec le projet DynaBioCat nous ont permis de répondre à deux appels à projets en 2022. La continuité de ces travaux est donc assurée pour 3 ans avec le financement d’un projet inter-laboratoire Carnot Ingénierie@Lyon (CP2M (coordinateur) - LAGEPP) : projet CARBOaq et d’un financement ANR 2022 (CE51 - 0007) en tant que porteur du projet EFR (labélisé Axelera). 

Deux entreprises ont suivis avec intérêt notre projet et l’une d’entre elles nous accompagne dans le cadre du projet CARBOaq.