Développement d’un filtre enzymatique pour le traitement ou valorisation d’air pollué avec du méthane

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Le contrôle d’émissions de gaz à effet de serre (GES) est un enjeu majeur à échelle mondiale. Plusieurs problèmes sont reliés aux émissions de GES, tel le changement climatique. Le méthane (CH4) est le deuxième GES le plus important, contribuant au 10% du réchauffement planétaire. Parmi les sources anthropogéniques de CH4 les plus importantes se trouvent l’agriculture, la gestion de déchets municipaux en phase solide et liquide, et la production et le transport de combustibles fossiles; par exemple les fumiers d’animaux, les sites d’enfouissement sanitaire (SES) et l’extraction de gaz de schiste et du charbon. Le CH4 est un composé qui peut être dégradé par des microorganismes appelés méthanotrophes. La première étape de la dégradation de CH4 est fait par un complexe enzymatique nommé méthane-monooxygénase (MMO), qui en présence d’oxygène le transforme en méthanol et eau. Les méthanotrophes sont utilisés pour oxyder le CH4 dans une grande variété de bioréacteurs. Son utilisation pour dégrader le CH4 est encore à échelle laboratoire et pilote. La biodégradation du CH4 dans un biofiltre présente plusieurs limitations, la plus importante est la faible solubilité de CH4 dans l’eau, ce qui diminue le transfert de masse entre l’air pollué et les microorganismes. Les méthanotrophes produisent des exopolysaccharides en grande quantité, devenant une autre barrière au transfert de CH4 et d’autres gaz, tels l’oxygène et le dioxyde de carbone. À ma connaissance, il n’y a aucune étude sur l’application de bioréacteurs enzymatiques pour contrôler des émissions de polluants atmosphériques, tel le CH4. Le système enzymatique de méthanotrophes a été très étudié, spécialement le complexe MMO. Il y a aussi un grand avancement dans les connaissances au niveau réactionnel et opérationnel de réacteurs enzymatiques. Ces réacteurs présentent plusieurs avantages, par exemple on peut nommer une vitesse de réaction très rapide (de millisecondes à quelques secondes), une conversion très spécifique ayant un taux de conversion très élevé, et tout cela est reflété dans un petit volume de réaction. Ces réacteurs présentent aussi l’avantage de pouvoir être opérés sous des conditions plus élevées de pression et température que les biofiltres ou autres bioréacteurs. Parmi les principaux défis des réacteurs enzymatiques se trouvent la récupération et la stabilité des enzymes. Plusieurs études montrent que l’immobilisation des enzymes aide à leur stabilisation. Le présent projet a pour but de développer un réacteur enzymatique pour transformer le CH4 en méthanol, qui peut être facilement récupéré par absorption ou transformé en bioproduits à valeur ajoutée, tels des biosurfactantes et des oligosaccharides fonctionnels, ou servir comme source de carbone pour la nitrification dans les étapes de polissage des eaux usées. Lors du présent projet, différentes configurations de réacteurs enzymatiques seront étudiées, soit un bioréacteur en phase liquide ayant des enzymes en suspension ou immobilisées sur des particules solides inertes, ainsi qu’un bioréacteur en phase gazeuse ayant un lit enzymatique (filtre enzymatique). Les montages expérimentaux seront réalisés à l’Université de Sherbrooke et au Centre National en Électrochimie et en Technologies Environnementales (CNETE, CCTT du Collège Shawinigan) qui compte avec une plateforme de bioprocédés industriels haut de gamme. On comptera également avec la collaboration des professeurs Michèle Heitz de l'Université de Sherbrooke (spécialiste dans le traitement de l'air pollué), Satinder Brar de l’INRS-ETE (spécialiste en microbiologie environnementale) et Tarek Rouissi professeur associé de l’Université de Québec à Chicoutimi (UQAC) (spécialiste en immobilisation de microorganismes et enzymes).