Bio-ME - Bio-Matières et Energies

Stockage actif de la biomasse pour faciliter sa transformation industrielle – STOCKACTIF

STOCKACTIF ou comment mettre au point un stockage adapté à la bioraffinerie des lignocelluloses

Avant son entrée en usine, peut-on rendre la matière ligneuse plus facile à transformer en accélérant et en contrôlant un processus naturel de décomposition raisonnée pendant le temps de stockage ?

LES QUESTIONS A TRAITER

L’idée qui sous-tend ce projet de «stockage actif » est d’utiliser la période comprise entre <br />la récolte de la biomasse lignocellulosique (paille, tiges, bois, …) et son utilisation en <br />usine pour mettre en oeuvre des processus biologiques de type lignolytiques permettant <br />de faciliter sa transformation ultérieure. <br />En effet, cette biomasse qui constitue la structure mécanique et/ou de protection de la <br />plante vivante est de ce fait particulièrement résistante et tous les procédés de <br />transformation commencent par un pré-traitement qui a pour objectif de la <br />« déconstruire ». Ceci est vrai dans les procédés industriels, mais aussi dans la Nature <br />qui a mis au point des processus de « pourriture » par les champignons, qui sont <br />efficaces, mais très lents (plusieurs mois à plusieurs années). <br />L’enjeu de ce projet était d’identifier un ou des champignon(s) et la façon de les utiliser <br />pour accélérer les phénomènes naturels à l’échelle du temps de stockage (quelques <br />semaines) et sans perdre le potentiel de transformation final de la matière première. La <br />principale question scientifique était de contrôler la balance entre la transformation de la <br />lignine et celle des sucres durant un tel stockage afin de conserver le potentiel de <br />transformation en énergie (bio-éthanol, biogaz) ou en synthons. Pour passer à <br />l’application pratique, il fallait ensuite trouver une solution permettant de faire agir les <br />champignons sélectionnés en milieu non microbiologiquement protégé. <br />Toutes proportions gardées, on peut imaginer les retombées de ce projet en faisant une <br />analogie avec les méthodes d’ensilage en élevage : elles se sont développées parce que <br />leur bilan économique est favorable. C’est pourquoi un bilan technique et <br />environnemental a été établi entre le surcoût du prétraitement Stockactif et les <br />économies possibles lors de la transformation ultérieure (énergie, effluents chimiques, <br />etc..).

Les recherches ont été réalisées à plusieurs échelles : sur quelques grammes pour
sélectionner les champignons les plus efficaces, sur quelques centaines de grammes pour
trouver les meilleures conditions et expliciter les mécanismes, puis sur plusieurs kilos
pour identifier les difficultés d’extrapolation industrielle et pour pouvoir faire une étude
technico-économique et environnementale la plus réaliste possible.
Pour la transformation proprement dite, des méthodes de fermentation en milieu solide
(FMS) ont été utilisées. Le degré de transformation a été mesuré par des tests
représentatifs de l’usage final (potentiel biogaz, tests d’hydrolyse, potentiel éthanol) et
aussi par des mesures mécaniques pour quantifier comment le pré-traitement biologique
pouvait diminuer l’énergie de broyage de la matière entrante. Les réactions biochimiques
ont été suivies par des méthodes de biologie moléculaire et des méthodes permettant de
distinguer la transformation relative de la lignine par rapport aux sucres
(spectrofluorométrie 3D, pyrolyse couplée à la chromatographie et à la spectrométrie de
masse). Une configuration industrielle du procédé a été imaginée et ses premières étapes ont été
testées par les partenaires industriels du projet. Cette configuration a servi de cadre pour
la comparaison technico-économique et environnementale qui a été réalisée par un
partenaire spécialisé, en utilisant les données numériques obtenues aux différentes
échelles.

Les recherches à l’échelle laboratoire ont permis d’identifier une souche de champignon
(parmi environ 175 testées) présentant des caractéristiques particulières et de définir ses
conditions optimales d’utilisation. Les essais à plus grande échelle ont montré la
possibilité de réaliser le pré-traitement Stockactif en utilisant un « levain » à l’état solide.
La souche et le procédé de pré-traitement ont été brevetés. Cette souche a aussi été
intégrée dans un programme plus large de collaboration internationale.
Des méthodes innovantes (dans le domaine de la FMS) et des équipements nouveaux
(dans le domaine des mesures mécaniques et du broyage) ont été développés et publiés.
Ces acquis sont maintenant disponibles pour être utilisés en routine dans les laboratoires
participants. Un équipement original de mesure mécanique a notamment été reproduit
en quatre exemplaires pour équiper les laboratoires des partenaires du projet.
Les bilans technico-économiques et environnementaux réalisés dans l’hypothèse d’unités
de taille industrielles montrent que les surcoûts d’investissement liés à l’installation de la
plateforme de pré-traitement Stockactif sont relativement faibles (quelques %) mais ne
sont pas compensés par une diminution des frais de fonctionnement puisque ceux-ci sont
équivalents dans le cas de l’éthanol et plus élevés dans le cas du biogaz, du fait de la
perte de masse. Du point de vue environnemental, les résultats sont contrastés, avec
une nette amélioration des critères de l’ACV pour la voie éthanol et une légère
dégradation pour la voie biogaz, qui est déjà intrinsèquement performante et qui subit là
encore l’effet de la perte de masse liée au pré-traitement.

Dans le domaine scientifique, ce projet a servi de point de départ à au moins deux
projets collaboratifs nationaux qui s’intéressent au potentiel des traitements fongiques en
milieu solide pour obtenir des molécules particulières. Par ailleurs, la souche brevetée
Stockactif a été, avec d’autres, intégrée dans un vaste programme international de
génomique fonctionnelle mené par le Joint Genome Institute (JGI) du Département de
l’Energie des USA (USA-DOE). Cette opportunité nous a permis de faire séquencer son
génome et d’utiliser ces résultats pour l’étude de transcriptomique menée dans le cadre
du projet Stockactif.
Les essais de mise au point d’un procédé de production de levain Stockactif à l’échelle de
plusieurs centaines de kg ont permis d’identifier les points clés du compromis à trouver.
A court terme, les équipements industriels existants ne sont pas adaptés pour gérer ce
compromis, mais à moyen terme ce sujet pourrait être réactivé si une utilisation
particulière du procédé Stockactif était souhaitée, notamment pour transformer avec un
impact environnemental faible des matières premières particulièrement récalcitrantes.

.Le projet a été l’occasion d’accueillir un doctorant et une doctorante, l’un dans les
équipes de BBF à Marseille et de FARE à Reims, l’autre dans l’équipe du LBE à Narbonne.
Outre leur mémoire de thèse, ces doctorants ont rédigé ou participé


L’idée qui sous-tend ce projet de «stockage actif » est d’utiliser la période comprise entre la récolte de la biomasse et son utilisation en usine pour mettre en oeuvre des processus biologiques de type ligninolytiques permettant de faciliter sa déconstruction ultérieure. Toutes proportions gardées, il s’agirait d’une sorte d’ensilage piloté adapté aux nouvelles utilisations de la biomasse, c’est à dire conservant son potentiel de transformation en énergie (bio-éthanol, biogaz) ou en synthons (par la fermentation ultérieure des sucres ou par l’extraction de composés phénoliques).

La principale question à résoudre est évidemment de contrôler la balance entre la transformation de la lignine et celle des sucres durant un tel stockage, mais d’autres problèmes se posent comme l’installation des souches ajoutées vis à vis de la flore endogène ou le pilotage du procédé. Le présent projet se propose de les aborder en utilisant les méthodologies de la fermentation en milieu solide (FMS) appliquée au cas des champignons ligninolytiques.

Le gain pourrait être à la fois énergétique et environnemental : en effet, pour toutes les voies d’utilisation de la biomasse, la phase de réduction de taille puis de prétraitement est une étape fortement consommatrice d’énergie (broyage, cuisson, explosion à la vapeur, …) et en général consommatrice de réactifs chimiques (traitement acides, alcalins, organosolv, …) qu’il faut ensuite éliminer et qui dégradent le bilan environnemental. Une matière première pré-conditionnée qui permettrait de diminuer la sévérité du prétraitement ou de le supprimer serait donc un gain appréciable. Dans le cas du biogaz, une matière première pré-conditionnée pourrait voir son champ d’utilisation élargie si ses cinétiques de biodégradation se rapprochent de celles de matières couramment utilisées.

Tout en s’inspirant des travaux réalisés il y a une dizaine d’années sur le « biopulping » dans le domaine papetier, ce projet se propose d’apporter des éléments de réponses nouveaux vis à vis de plusieurs enjeux :
- Conserver le maximum de « potentiel d’utilisation de la biomasse » possible
- Identifier les paramètres permettant de conduire le stockage pour aboutir au degré de transformation désiré, de façon reproductible, y compris vis à vis des risques de contamination par des bactéries utilisatrices de sucres
- Etablir le bilan technico-économique entre la diminution éventuelle de potentiel d’utilisation et la facilitation du prétraitement ou de la méthanisation, notamment en termes énergétique et environnemental
- Envisager la mise en œuvre de ce principe de stockage actif de façon simple, réaliste et peu coûteuse en comparant diverses solutions

Les travaux prévus sont principalement cognitifs, car il nécessaire de bien comprendre l’effet des différentes variables pour imaginer une solution optimisée. Ils sont organisés selon quatre tâches principales :
- le choix du/des champignons adaptés et la détermination des conditions d’ensemencement
- l’identification des paramètres de conduite de la FMS et la mesure fine des activités biologiques durant cette fermentation
- la caractérisation des produits obtenus vis à vis des étapes ultérieures du procédé, notamment du broyage et de la transformation en éthanol et en biogaz
- l’impact du pré-conditionnement fongique sur le bilan technico-économique et environnemental, selon une logique d’écoconception.

Grâce aux quatre partenaires industriels, les solutions identifiées pourront être testées en fin de projet dans des configurations pré-industrielles. Cette étape sera aussi l’occasion de tester un dispositif de mesure sur site des réactions biologiques complexes, qu’une start-up prévoit de développer dans le cadre de ce projet. La participation industrielle est aussi un gage de focalisation des cinq équipes de recherche amont vers des configurations expérimentales et des conditions opératoires réalistes et robustes.



Coordinateur du projet

Fractionnement des Agroressources et Environnement (Laboratoire public)

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

Fractionnement des Agroressources et Environnement
Biotechnologie des champignons filamenteux
Laboratoire Biotechnologie de l'environnement
Ingénierie des Agropolymères et Technologies Emergentes
Biogéochimie et écologie de smilieux continentaux
ENVOLURE
SOLAGRO
Etablissements J. SOUFFLET
Vivescia

Aide de l'ANR 904 220 euros
Début et durée du projet scientifique : avril 2012 - 42 Mois

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