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Vers des bio-carburants de seconde génération ? Les potentialités d'utilisation du Peuplier comme culture énergétique.
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Vers des bio-carburants de seconde génération?
Les potentialités d'utilisation du Peuplier comme culture énergétique
Vers des bio-carburants de seconde génération?
Les potentialités d'utilisation du Peuplier comme culture énergétique
Rencontres chercheurs / enseignants« Nouvelles sources d’énergie »
Centre départemental de Documentation pédagogique
Rencontres chercheurs / enseignants« Nouvelles sources d’énergie »
Centre départemental de Documentation pédagogique
Tours 11 Février 2009Tours 11 Février 2009
culture énergétique culture énergétique
Gilles PilateGilles Pilate
Unité Amélioration, Génétique & Physiologie ForestiéresINRA Orléanspilate@orleans.inra.fr
Unité Amélioration, Génétique et Physiologie Forestières
INRA-Orléans
G. Bodinea
Unité Expérimentale Amélioration des Arbres ForestiersINRA-Orléans
3 équipes
1- Génétique- Amélioration (peuplier, mélèze, pin sylvestre, douglas, merisier)
- Diversité génétique- Interaction peuplier-rouilles
2- MéristèmeEmbryogenèse somatique (mélèze, pin)
3- XylèmeFormation du bois (peuplier)
ONFArbocentreUniversité d’Orléans (LBLGC)
Bodineau
Utilisations actuelles du bois
Papier, déroulage, sciage, bois de chauffe,…
Utilisations nouvelles du bois
Energie : Ethanol, combustion/gazéification
Matériau : fibres naturelles, bioplastique
Molécules : substances duraminisantes, antibactérienne, antifongique…
Adaptation du matériel végétal par amélioration génétique
- Modifier le développement et le métabolisme des arbres à des fins de production de biomasse et de biomolécules
- Accroître le rendement et réduire les intrants de culture
Meilleure compréhension des mécanismes moléculaires de la formation du bois
Molécules : substances duraminisantes, antibactérienne, antifongique…
Considérations générales
Deux challenges : réduire les GES et développer desalternatives à l’utilisation du carbone fossile.
Comment produire durablement des quantités énormes decarbone renouvelable?
Une réponse : la transformation de la biomasselignocellulosique, un challenge pour le futur
Nécessité de minimiser la compétition potentielle avec lescultures alimentaires
L’utilisation de la biomasse lignocellulosique rédui t la compétition avec les cultures alimentaires, avec des coûts réd uits et peu de
production de GES
Ressources agricoles Biomasse lignocellulosique
... Mais les procédés de transformation sont bien plus complexes
• De l’utilisation de l’amidon et des sucres à l’utilisation dela plante entière ... Vers la notion de bioraffinerie
• Le challenge : être capable d’utiliser l’ensemble de la
La transformation de la lignocellulose, un challenge pour le futur
• Le challenge : être capable d’utiliser l’ensemble de laplante composé majoritairement de lignocellulose
• La lignocellulose est la ressource de biomasse ubiquiste: des ressources agricoles et forestières en passant parle retraitement des déchets urbains
[Agronomie] [Prétraitement / Synthèse][Logistique]Etapes
Production ConversionCollecte
Commodités ProduitsBiomasse Intermédiaires
Biomassehumide
Ethanol
Intermédiaires
Fermentationmulti-sucres
Précondi-tionnementBroyage et/ouméthanisation
PrétraitementHydrolyse
enzymatique
Lignocellulose : quel procédé de transformation pou r la production de bioénergie?
Biomassesèche
HydrocarburesPrécondi-
tionnementBroyage et/ou
pyrolyse
Synthèse
Conditionnementgaz et séparation
Gazéification
+ Energie ChaleurElectricitéCo-génération
Huiles
Pyrolyse
+ H2O
Intermédiairesde la lignineBiogaz
© IN
RA
/ J.
Cor
mea
u
Différentes sources de biomasse lignocellulosique
• Rémanents forestiers (écorce, copeaux, produits d’élagage)
• Sous produits agricoles (paille, bagasse, ...)
Reims -07
• Sous produits agricoles (paille, bagasse, ...)• Cultures énergétiques (peuplier, saule, switch
grass, miscanthus)• Déchets municipaux (papier, emballage,..)
Potentiel de production de biomasse dans l’UE
Evolution du potentiel de différentes ressources en biomasse
Cultures pérennesen C4
Taillisà courtes rotations
Potentiel
Co-produitsPaille
Culturesannuelles
Temps
6 sections et 29 espècesréparties dans l’hémisphère nord
Le genre Populus
Populus nigra L.
Populus deltoides Bartr. ex Marsh.
Les peupliers cultivés sont majoritairement issus
Populus alba L.
Populus tremula L.
Populus trichocarpa Torr. & A. Gray
majoritairement issus d’hybridations interspécifiques, à partir de quelques espèces ...
… et sont plantés en parcellesmonoclonales.
Les peupleraies cultivées, des forêts à haute produ ctivité
� 2% de la surface forestière
� 3ème essence feuillue en volume de bois récolté
1.5 M m3 (2003)= 230 000 ha
17
(Ministère de l’Agriculture et de la Pêche, 2000)
= 230 000 ha
Le peuplier : un arbre modèle en génomique des arbr es• Croissance rapide
• Multiplication végétative (bouturage) facile
• Croisements intra- et interspécifiques
• Taille du génome relativement petite
• Transformation
�(M. V
illar, INR
A O
rléans)
18
• Collections
�(G. P
ilate et al, INR
A O
rléans)
Culture de peuplier dédiée à la production de bioma sse�2 systèmes :
• Taillis à Courte Rotation (TCR) :− 1 000 à 2 000 tiges/ha,− Rotations de 7 à 10 ans− Rendement 10 – 12 t MS/ha/an− Produit : petit arbres (diam. 15-20 cm)− Plantation agricole, récolte forestière− Plantation agricole, récolte forestière
• Taillis à Très Courte Rotation (TTCR) :− 10 000 à 15 000 tiges/ha,− Rotations de 2 à 3 ans,− Rendement : 12 – 15 t MS/ha/an− Produit : rejets (diam. 3-4 cm)− Plantation agricole, récolte agricole
Optimiser les critères de sélection pour l’améliora tion
génétique du peuplier exploité en TCR
- Critère phytosanitaire : impact de la rouille foliaire intensifié par
la densité de plantation.
20
- Critère de productivité : croissance juvénile en compétition,
aptitude au rejet de souche.
-Critère « Qualité de la biomasse » : critères spécifiques à la
production de biocarburants.
-
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… p
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Différenciation des cellules de bois
Division
Elongation
Mise en place de la paroi II
Lignification
Coupe transversale de tige de peuplier
coloration safranine / bleu astra
Mort cellulaire
Duramen Aubier
Cambium
Le bois est formé principalement des parois de cellules mortes
Importance des mécanismes de formation des parois dans la définition des propriétés du bois
Bois de peuplierCoupe transversaleMicroscopie électronique à balayage (F. Laurans, INRA-Orléans)
Modèle de formation de la paroi secondaire
Des microfibrilles de cellulose cimentées dans une matrice de
lignines et d’hémicellulosesd’hémicelluloses
Prétraitement
Préparation mécanique(copeaux, broyats)
Ressource lignocellulosique(e.g. bois de peuplier)
Du bois au bioéthanolDu bois au bioéthanol
Prétraitement
Fermentation(Production d’éthanol)
Hydrolyse de la cellulose(saccharification)
Hydrolyse deshémicelluloses(sucres en C5et C6)
Xylose/Furfural/Ethanol
Lignines dissoutes
Co-produits de la lignine
Le bois est un produit complexe et renouvelable formé de cellulose (glucose), hémicelluloses (sucres en C6 et en C5), et lignines (15-30%). Ces composés sont sources de co-produits à haute valeur ajoutée à coté de la production de bioéthanol, permettant potentiellement de réduire de façon significative les coûts de production.
La séparation idéale de la biomasse...
Reims -07
… et la realité
• Prodédé Kraft• Prodédé au sulfite• Hydrolydse acide • Explosion à la vapeur (steam explosion)• Procédé Organosolv
Reims -07
• Procédé Organosolv
Présentement, aucun de ces procédés ne permet une opération efficace et bon marché
Images courtesy of Malcolm O’Neill CCRC, U of Georgia)
Fig. 2-2. Biosynthesis of walls: from genes to polymers.Fig. 2-2. Biosynthesis of walls: from genes to polymers.
Variabilité clonale pour le contenu en cellulose chez le peuplierde 48 à 56 % (75 clones de 3 ans)
Variabilité clonale pour le contenu en lignine chez le peuplierde 21 à 25% (20 clones de 8 ans)
Différents types de bois
AubierDuramen
Bois initial Bois final
Bois juvénile / bois mature
Bois final
Bois de réaction
Le phénotype (ce qui est observable) du bois est déterminé à la fois par l’environnement et par le génotype (information contenue dans les gènes).
Ces deux arbres ont le même âge, mais ont subi une sylviculture différente
Bois de tension
Formation du bois de tension
Bois normal
Timell, 1972 Lignin Galactose Glucose Mannose Arabinose X ylose
NW TW NW TW NW TW NW TW NW TW NW TW
Acer rubrum 25,4 17,5 1 1,6 42,3 59,2 3,3 1,8 1 1,3 18,1 12,2
Betula papyrifera 22 16,1 1,3 5,4 40,3 51,3 2 1,3 0,5 0,5 23,9 17,5
Fagus grandifolia 23,5 17 0,8 3 40,4 54,7 1,8 1,2 0,9 0,8 21,7 13,3
Populus tremuloides 20,9 16,8 1,1 1,4 44,4 54,5 3,5 1,3 0,9 0,8 21,2 17,1
Prunus Prunus pensylvanica 17,4 15,6 1,4 2,8 43,4 53,5 2,6 1,5 0,7 0,8 24,9 1 8,1
Robinia pseudoacacia 30,1 25,2 0,8 1,4 42 51,2 2,2 1,2 0,4 0,3 16,7 14, 2
Ulmus americana 21,7 20,2 0,9 1,4 50,2 54,3 3,4 1,5 0,4 0,5 15 ,1 13,2
En % poids sec
Joseleau et al., 2004
Le bois de tension est riche en cellulose et pauvre en lignines
Variabilité importante pour l’aptitude à former du bois de tension chez le peuplier
Optimiser les critères de sélection pour l’améliora tion
génétique du peuplier exploité en TCR
- Critère phytosanitaire : impact de la rouille foliaire intensifié par
la densité de plantation.
- Critère de productivité : croissance juvénile en compétition,
aptitude au rejet de souche.
-Critère « Qualité de la biomasse » : critères spécifiques à la -Critère « Qualité de la biomasse » : critères spécifiques à la
production de biocarburants.
- Identifier des clones de peupliers ayant un bois plus facile à
traiter pour la production de bioéthanol (par exemple ratio
lignines / cellulose)
- Mieux comprendre l’assemblage de la cellulose, des
hémicellulose et des lignines dans le bois
Samples
NIR spectra acquisition Wood chemistry Kraft cooking Physical tests Fiber morphology
Développement de phénotypage à haut débit
- Identifier des clones de peupliers ayant un bois plus facile à traiter pour la
production de bioéthanol (par exemple ratio lignines / cellulose)
NIR spectra acquisition Wood chemistry Kraft cooking Physical tests
Calibration
Near Infrared Spectroscopy (NIRS): construction d’une calibration (1/2)
Fiber morphology
Near Infrared Spectroscopy (NIRS)
NIR spectra
collection
Reference
data
- Identifier des clones de peupliers ayant un bois plus facile à traiter pour la
production de bioéthanol (par exemple ratio lignines / cellulose)
Développement de phénotypage à haut débit
collection data
Pre
dict
ed li
gnin
con
ten
t (%
)
Measured lignin content
Pre
dict
ed c
ellu
lose
con
tent
(%
)
Measured cellulose content
Example of NIRS calibration: Adult maritime pine
- Mieux comprendre l’assemblage de la cellulose, des hémicellulose et des
lignines dans le bois
Evaluation en TCR de peupliers OGM à lignines modifiées
0
20
40
60
80
100
327
Red
326
Red
325
Red
324
Red
323
Red
322
Red
321
Red
319
318
317
316
315
Con
trol
Act
ivity
(%
)
320
Red
Peupliers à lignines modifiés
X
XXX
X
XX
O H
O H
O H
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O HO H
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X
X
X
X
X
X
XX
X
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O HO H
O H
X
X
XX XX
X
XX
X
X
X X
X
Peuplier témoin Peuplier a faible activité CAD
Le peuplier
Espèce modèle
pour la génomique chez les arbres
485 Mbp
Plus de 45 000 gènes potentiels
T10_6r
P_2828
G_151
G_2667
T1_25
T2_32
G_734
T5_6r
S12_1
1T1_15r
G_1158
G_3224
G_1260
T1_33
S13_12
P_667
G_876
G_2734
P_422
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Position (Mb)
Genes
potentiels
Unknown
Unknown
Unknown
Unknown
Unknown
Kinase
Kinase
Kinase
Kinase
Kinase
Transferase
Transferase
La séquence du génome de peuplier
Hypothetical protein
Signal-peptide
Transmembrane_protein
Phage_tail_X peptide
Transcriptional factor B3
43Chromosome XV
P_422
G_2162
T9_9
P_684
O_461
W_14_A
O_207
W_19_A
W_21_A
S4_18
S2_2
P_2615
O_286
S4_13r
S4_14
P_2797
G_3592
G_1754
S6_18
6.0
7.0
8.0
9.0
Unknown
Unknown
Unknown
Unknown
Unknown
Unknown
Kinase
Kinase
Transferase
Transferase
Transferase
CAD
Sub-region du
Chromosome XV
Liste de gènes
Transcriptional factor B3
Putative ATP sulfurylase
PRICHEXTENSIN
Cyclin-like F-box protein
Unknown protein
Hypothetical protein
Actin 8 protein
Eggshell protein
40S ribosomal protein
Unknown protein
Putative glutelin
Extensin-like protein
Zinc finger C2H2-type protein
Unknown transferase
XYPPX repeat protein
- Mieux comprendre l’assemblage de la cellulose, des hémicellulose et des
lignines dans le bois
- Accès à l’ensemble des gènes qui participent à la formation du bois
Conclusion
• La production de biomasse est une solution attractive(parmi d’autres) pour venir à moyen terme en substitutionà l’utilisation du carbone fossile.à l’utilisation du carbone fossile.
• Entre autres possibilités, la culture du peuplier en TCRprésente des potentialités intéressantes qui sont en coursd’évaluation.
Chimie pour le Développement Durable
RdR1RdR1 : Ressources renouvelables, matières : Ressources renouvelables, matières premières, produits et matériaux.premières, produits et matériaux.
Equipes impliquées
Ca e n (1 0
L e Havre (10
350 chercheurs, enseignants-chercheurs
70 équipes de recherche académique���� 30 unités CNRS���� 11 Unités INRA���� 5 Equipes d’AccueilIFREMER, IRD
5 équipes de recherche industrielle
PrésentationL'Atelier de Réflexion Prospective (ARP) VegA, est un projet financé par l'Agence Nationale de la Recherche ( ANR), pour une durée de 2 ans (Février 2008- Janvier 20 10). Il s'agit d'un travail collectif, largement ouvert à des partenaires diversifiés, d'analyse des besoins de recherche, à partir d'un état de l’a rt des connaissances scientifiques et des besoins de recherche, à partir d'un état de l’a rt des connaissances scientifiques et des usages de la biomasse ainsi que d'une analyse d es besoins futurs en biomasse végétale.
L'ARP VegA a pour finalité d’identifier des espèces végétales (plantes annuelles ou pérennes, micro-algues) et des systèmes de producti on durables, qui répondent aux besoins en biomasse végétale renouvelable. Ces beso ins proviennent du développement de nouvelles filières énergétiques, d e la chimie verte et des biomatériaux. La durabilité des solutions identifiées est analysé e, par une approche systémique qui prend en compte leurs dimensions environnementales, sociales et économiques.
TSARTechniques Sylvicoles et Agricoles Rémédiantes
Cluster DREAM
BIOFUELS2nd GENERATION
PMII FUTUROL
« Etablir et valider, techniquement et économiquement, un process pour la production de bioéthanol à partir de biomasse lignocellulosique »
Enhancing Poplar Traits
Project partners
Institut National de la Recherche Agronomiquehttp://www.inra.fr
Sveriges Lantbruksuniversitethttp://www.upsc.se
Albert-Ludwigs-Universität Freiburghttp://www.uni-freiburg.de
Flanders Institute for Biotechnologyhttp://www.psb.ugent.be
University of Southamptonhttp://www.soton.ac.uk
Istituto di Genomica Applicatahttp://www.appliedgenomics.org
Georg-August Universität Göttingenhttp://gwdu05.gwdg.de/~uffb
SweTree Technologies ABhttp://www.swetree.com Traits
for Energy Applications
www.energypoplar.eu
http://www.swetree.com
Imperial College of Science, Technology and Medicinehttp://www.imperial.ac.uk
INRA Transferthttp://www.inra-transfert.fr
CONTACTS
Coordinator: Dr. Francis MARTININRA, Nancy, Francefmartin@nancy.inra.fr
Dissemination and Technology Transfer: Dr. Magnus HertzbergSweTree Technologies, Umeå, SwedenMagnus.Hertzberg@swetree.com
Manager: Dr. Enric BELLES-BOIXINRA-Transfert, Paris, Franceenric.belles-boix@paris.inra.fr
EnergyPoplarEuropean Seventh Framework Project FP7-211917Food, Agriculture and Fisheries, Biotechnology
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