DS0203 - Transformations et inter-conversions énergétiques

Evaluation des potentialités d’une filière de macroalgues vertes cellulosiques pour la production de bioethanol – preuve de concept technique et durabilité – GreenAlgOhol

Potentiel des macroalgues vertes cellulosiques pour la production de bioéthanol

Evaluation des potentialités d’une filière de culture de macroalgues vertes riches en cellulose pour la production de bioéthanol – Démonstration de la faisabilité technique et économique et évaluation de la durabilité de la filière.

Vers une bioéconomie basée sur des usages durables de la biomasse.

Le monde a aujourd’hui besoin de se tourner vers une bioéconomie reposant sur des usages durables de la biomasse pour la production d’énergie et d’intermédiaires chimiques. Des solutions complémentaires aux ressources terrestres de première (sucre, amidon) ou seconde génération (paille, bois) doivent être recherchées. Dans ce contexte, les macroalgues marines font l’objet d’une attention accrue car elles permettent un usage limité de terres arables, d’eau douce ou de produits phytosanitaires. <br />Les macroalgues vertes sont des organismes à croissance rapide, qui représentent un outil intéressant pour la conversion de l’énergie solaire et du CO2 en bioproduits. Proches parentes des plantes terrestres, elles produisent aussi naturellement de l’amidon et de la cellulose. L’acquisition de données techniques à l’échelle laboratoire est aujourd’hui le premier pas vers une évaluation raisonnée du potentiel réel des macroalgues et de l’échelle de temps associée à une mise en place de leur valorisation industrielle. <br />Nos premières cibles ont été le développement de systèmes de production de biomasse efficaces et l’amélioration de l’hydrolyse des polysaccharides des algues, afin de produire du glucose algal pouvant ensuite être converti en molécules plateformes. Comme preuve de concept, nous avons étudié la fermentation en éthanol.

Afin d’atteindre ces objectifs, le projet Green AlgOhol s’est construit autour d’un consortium d’acteurs complémentaires, présentant des compétences clés dans des domaines comme la culture des algues, le fractionnement de la biomasse, les polysaccharides, la biochimie, les produits biosourcés et les analyses de cycle de vie (ACV).
Il a notamment contribué à combler des lacunes scientifiques et techniques présentes à tous les niveaux de la chaîne de production afin :
- De développer des systèmes d’aquaculture améliorés et innovants pour optimiser la production d’amidon et cellulose par les algues vertes.
- D’étudier des systèmes enzymatiques et fermentaires existants afin de positionner leurs performances pour la conversion du glucose présent dans les macroalgues vertes, et d’explorer de nouveaux outils enzymatiques et fermentaires afin de valoriser l’ensemble des polysaccharides de la biomasse algale.
- D’élaborer des protocoles innovants de fractionnement de la biomasse algale par des procédés « verts » pour la production de co-produits à plus haute valeur ajoutée.
- De réaliser une évaluation environnementale et économique de la filière Green AlgOhol, afin d’identifier les verrous potentiels et des éventuelles pistes d’amélioration.

La preuve de concept de production de bioéthanol à partir de macroalgues vertes cellulosiques a été atteinte avec une production pilote d’éthanol à partir de 45 kg d’algues cultivées. L’ACV globale du système a mis le doigt sur les points à optimiser prioritairement, en particulier au niveau de la culture des algues. Par ailleurs ces travaux ont permis l’identification et la production de nouveaux types de polysaccharides, et la découverte de nouvelles enzymes impliquées dans la dégradation des polysaccharides matriciels des algues vertes. Sur le plan de la méthodologie ACV, des outils très originaux ont aussi été développés et pourraient avoir un impact fort sur la manière dont les méthodes et les indicateurs d’impacts sont sélectionnés.

La sélection de souches plus riches en cellulose, la hausse des rendements de culture et l’optimisation de la culture d’algue concernant l’utilisation de fertilisants et d’énergie seront nécessaires sur le plan économique et pour améliorer l’ACV globale de ce bioéthanol algosourcé. Les nouvelles enzymes découvertes pourraient aussi complémenter les cocktails utilisés et améliorer l’hydrolyse.
Les outils développés en ACV permettront aussi d’ouvrir de nouveaux champs d’études.

Avec 10 articles scientifiques dans des revues à comité de lecture (publiés ou en cours de finalisation) et 11 conférences, les résultats du projet ont été largement disséminés auprès de la communauté scientifique et des industriels de nombreux secteurs : algues, environnement, procédés, énergies renouvelables, ...
Un brevet (procédés de pré-traitement) est en préparation et deux autres en cours d’évaluation (valorisation de co-produits, enzymes), et un outil très innovant à destination des praticiens de l’ACV a été mis en ligne.

Aujourd'hui, le monde est confronté au défi majeur de se convertir à une bioéconomie fondée sur l'utilisation durable de la biomasse pour répondre à ses besoins de production de produits chimiques et de services énergétiques.

Considérant les biocarburants par exemple, les voies industrielles actuelles de production à grande échelle de bioéthanol s’appuient sur l’exploitation de la canne à sucre et des ressources agricoles amylacées (procédés de première génération). L'éthanol cellulosique obtenu à partir de ressources non alimentaires telles que le bois et la paille (procédés de seconde génération) est sur le point d’être déployé.
En raison de la concurrence des usages, ces procédés basés sur des matières premières terrestres sont voués à être contingentés et ont besoin de solutions complémentaires. Dans ce contexte, les macroalgues marines font l’objet d'une attention croissante en tant que ressource renouvelable alternative ou de complément pour la production de matériaux, produits chimiques, carburants et énergie, avec une utilisation nulle ou limitée de terres arables, d'eau douce, d’engrais et de produits phytosanitaires.

En 2010, la production mondiale de macroalgues a atteint 19,9 millions de tonnes de matière sèche, provenant à 95% de l'aquaculture marine. Cette production a connu une augmentation annuelle moyenne de 7% / an sur la période 2001-2010. Algues brunes et rouges sont déjà largement utilisées comme matières premières dans des processus de production de bioproduits, principalement dans l'industrie des phycocolloïdes. Les macroalgues vertes, qui sont des organismes photosynthétiques à croissance rapide, distribués dans le monde entier, sont encore sous-exploitées et représentent un vecteur prometteur pour convertir l'énergie solaire et le CO2 en biocarburants et bioproduits à grande échelle.

Les algues sont un groupe particulier de végétaux très divers. Étant les plus proches parents des plantes terrestres, les macroalgues vertes présentent plusieurs similitudes avec les ressources végétales utilisées actuellement dans les procédés de première et de deuxième génération, ainsi que dans la chimie du végétal. Elles produisent naturellement de l'amidon et de la cellulose (non lignifiée). En tant que telles, elles pourraient s'avérer très utiles en tant que matières premières dans les processus actuels de transformation de sucres en biocarburants et bioproduits.
A côté de glucanes simples, les macroalgues vertes contiennent aussi des polysaccharides sulfatés spécifiques construits à partir d’oses rares et d’acides uroniques, ce qui ouvre la voie à des intermédiaires biosourcés de grande valeur pour l'industrie chimique.

A partir de ces considérations, l'objectif de notre projet de recherche industrielle est d'évaluer le potentiel des macroalgues vertes, depuis la culture de biomasse jusqu’à des produits finis, comme matières premières durables pour la production d'éthanol via la fermentation du glucose.

Nos premiers objectifs sont de développer des systèmes efficaces de production de biomasse et d’optimiser l’hydrolyse enzymatique des glucanes d'algues pour produire du glucose monomère.
Dans une deuxième étape, le glucose peut conduire à de nombreuses molécules plates-formes. Comme preuve de concept, nous nous concentrerons sur la fermentation en éthanol.
Enfin, dans une optique de bioraffinerie, d'autres composants des algues vertes seront étudiés, afin d'identifier et de quantifier d'autres composés d'intérêt.

Pour atteindre ces objectifs, notre proposition réunit un consortium étendu, avec des compétences clés dans la culture des algues, le fractionnement de la biomasse, les polysaccharides, la biochimie, les procédés catalytiques, les biocarburants, l’évaluation technico-économique et l’analyse de cycle de vie.

Coordinateur du projet

Monsieur Ronan PIERRE (CENTRE D'ETUDE ET DE VALORISATION DES ALGUES (CEVA))

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ISCR Institut des Sciences Chimiques de Rennes
CERMAV Centre de recherches sur les macromolécules végétales
LBE Laboratoire de Biotechnologie de l'Environnement (LBE) INRA
CEVA CENTRE D'ETUDE ET DE VALORISATION DES ALGUES (CEVA)
IFPEN IFP Energies Nouvelles

Aide de l'ANR 623 528 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2014 - 36 Mois

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