La Biologie et les Energies Renouvelables

• Intérêt renouvelé pour les biotechnologies dans la continuité du « génie biochimique »,c’est à dire la mise en œuvre rationnelle dans des conditions contrôlées, d’organismes vivants (microorganismes, cellules supérieures) ou de leurs constituants (enzymes) pour produire de nouvelles sources d’Energie

• Biomasse : première source d’énergie renouvelable de la planète. Valorisation énergétique de tous ses constituants

• Ingénierie écologique – contrôle métabolique• Catalyseurs biologiques – Approches moléculaires

Exemples de biocatalyseurs (hydrogènasesbactériennes, cellulosomes bactériens…)

Energie biomasse ou bioénergie

• La biomasse représente toute la matière non fossile issue du vivant, animal ou végétal. 172 milliards de tonnes de matière sèche par an.

• Produire de l’énergie à partir de la biomasse: bioénergie, consiste à récupérer l’énergie libérée lors de la dégradation de la biomasse en CO2 et H2O, (éléments qu’elle avait adsorbés pour se constituer) et à la mettre à disposition sous une forme exploitable par l’homme.

Biomasse sèche (bois, déchets ligneux, déchets urbains, agroalimentaires…)Biomasse humide (produits issus de l’agriculture traditionnelle )

Optimiser la première génération

Améliorer le rendement énergétique et le coûtValoriser les sous produitsConcept de « Bioraffinerie », unité industrielle utilisant la biomasse livrée sur le site pour produireà la fois des biocarburants, de l’électricité et des produits non énergétiques tels que des solvants,des tensioactifs, des agromatériaux …

Un nouvel herbier de biocarburants, trouver les espèces les plus productives et les moins consommatrices en eau, azote et en intrants chimiques (miscanthus, peuplier, saule…)

Transformation de la lignocellulose (polymére de cellulose, hémicellulose et lignine) en sucrespar des enzymes pour la production d’ethanol de seconde génération

Projet européen « New Improvement for LignocellulosicEthanol » Coordonné par l’IFP rassemble 28 identitésindustrielles et de recherche dont le CNRS, l’INRA …

Les verrous technologiques

Etape de prétraitementTrouver une méthode qui ne dégrade pas l’hémicelluloseen inhibiteur de la fermentation

Etape d’hydrolyse enzymatiqueDiminuer le coûtAméliorer l’efficacité des enzymes

Etape de la fermentationRéussir à fermenter les pentosesAméliorer la concentration d’alcool avant la distillationObtenir des levures efficaces malgré la présenced’inhibiteurs de la fermentation

Les limites

• - les bio-ressources disponibles ou "productibles" et leur renouvellement ainsi que leurs modes de "production" (forcément intensifs pour répondre aux besoins).

• - la concurrence entre les usages de la biomasse (alimentation, bois d'oeuvre, trituration, amendements organiques, biocarburants, chimie végétale, néo-matériaux, chaleur, électricité).

• - les coûts ! : en apparence, par exemple, les coûts des bioproduits (avec un pétrole à 50 $ le baril) sont réputés en moyenne être 2 fois plus élevés que leurs concurrents fossiles (hormis les produits traditionnels du bois et de la fibre notamment).

• - la production de CO2

Biogaz et Environnement

Prémices d’une troisième génération

• Les microorganismes permettent de nous libérer de la contrainte du sol

• Production de biohydrogène, de biogaz et de lipides par l’action de microorganismes fermentatifs

• Production d’hydrogène à partir d’eau et d’énergie solaire par l’action de microorganismes photosynthétiques

• Production de lipides par des microalguesautotrophes

• Optimisation des filières bioénergétiques

Le méthane représente 55 à 85 % du volume de biogaz produit. Le digestat peut être utilisé comme engrais

Etape anaérobie stricteBactéries hydrolytiques et fermentatives(Clostridium, Bacillus…)

L’oxydation des substrats est couplée à la formation d’H2, de CO2 et d’acétate(Clostridium, BSR…)

Les méthanogènes, utilisent l’H2 et l’acétate pour produire du méthane et du CO2

Processus de production de Biogaz

Les utilisations du biogaz

• Le méthane issu du biogaz est utilisé comme source énergétique et peut donc se substituer aux produits pétroliers dans trois filières

– Energie thermique• Débouché de proximité (réseau de chaleur ou consommation

interne)

– Energie électrique• Production d’électricité par moteur ou turbine à gaz,

– Biocarburant.

Fermentationobscure

biomasse

Consortium bactérien H2 + CO2

Le Vivant, producteur d’hydrogène

Dégradation de la celluloseIngénierie métaboliqueOrientation du métabolisme de bactéries ou de consortium bactérienpar de nouvelles approches comme le Métaproteome et le Métagenome

Photosynthèse

Micro-alguesBactéries photosynthétiques H2

Le Vivant, producteur d’hydrogène

Photoproduction d’hydrogéne à partird’eau et d’énergie solaire par l’actionde microorganismes photosynthétiques contenant des hydrogénases

HYDROGENASEH2 2H+ + 2e-

• La plupart des bactéries productrices d’ H2 sont aussi capables de le consommer : – Nécessité de comprendre le métabolisme

• Sensibilité des hydrogénases à la température, pH, oxygène– « molecular-engineer » enzymes – enzymes naturellement résistantes aux environnements

extrêmes

Verrous Technologiques

Optimisation de biocatalyseurs pour la production et la consommation d’hydrogène

- Recherche et étude d'enzymes naturellement résistantes à des environnementsextrêmes (pH, Température,...)

Pro498

Ser499

Arg476

Cys530

Cys65

Cys68Cys533

3.60 Å3.63 Å

4.64 Å

-3 Hydrogénases à NiFe-Actives à 90°C-Grande stabilité par rapport aux inactivationsthermiques et chimiques- Résistantes à l’oxygène

S0

Un Exemple : Aquifex aeolicus

Immobilisation sur support et encapsulation (vectorisation)

• Immobilisation dans des macro-films de type argile ou des assemblages couche-par-couche

HaseHase

HaseHase

MMMM

MM

MMee--

HH22 2 H2 H++

MMMM

MM

MM

I

0

2

6

10

14

18

5 6 7 8 9 10 11pH

H2 oxidationH+ reduction

• Immobilisation covalente et orientée sur différents supports conducteurs

Bio-Production d’hydrogèneBiopile

Couche de diffusion

Plaques Bipolaires

Membrane

Le principe d’une PAC (Pile A Combustible) est de transformer l’hydrogène et l’oxygène

pour produire de l’électricité.

Futur « Fuel Roadmap »

Aujourd’hui Demain Après demain

Conventionnel

GPLBiocarburant de 2ème génération

Hydrogène

GTL

Diminution des émissions de gaz à effet de serreet de la dépendance au pétrole

Programme Hydrogène au USA

Projets Programme Energie2002 PRI 1.1 Biomasse - Combustion - CO2 Biomasse Biocarburant éthanol

2002 PRI 10.1Biomasse - Combustion - CO2 Capture CO2

Capture par adsorption de CO2 dans des gaz de centrales thermiques et leur injection en puits de pétrole

2003 PE 5.1 Biomasse - Combustion - CO2 Biomasse Biomasse - combustion - gazéification

2003 PR 4.1Biomasse - Combustion - CO2 Combustion

Combustion propre dans les foyers à cycles combinés et flexible aux nouveaux combustibles

2003 PR 4.3 Biomasse - Combustion - CO2 Combustion Combustion assistée par H2 et radicaux générés par un plasma non thermique

2003 PR 5.5 Biomasse - Combustion - CO2 Combustion Combustibles issus de la gazéification de la biomasse dans les moteurs HCCI

2004 ECD079Biomasse - Combustion - CO2 Biomasse

Maîtrise de la structure, des conditions thermiques et de la réactivité pour une sélectivitédonnée.

2004 ECD015Biomasse - Combustion - CO2 CO2

Séquestration de CO2 à très long terme par minéralisation solide dans les réservoirs gréseux et silicatés

2004 ECD059 Biomasse - Combustion - CO2 CO2 Procédés de Capture Post-combustion du dioxyde de carbone

2004 ECD056

Biomasse - Combustion - CO2 Combustion

Caractérisation, modélisation, simulation de la combustion de mélanges d’hydrocarbures enrichis en hydrogène pour des applications turbines à gaz

2007 PE2.1-5

Biocarburants de deuxième génération issus de la transformation biologique ou thermochimique du glycérol, sous-produit de la fabrication du biodiesel

2007 PE2.1-8 Procédé hybride de capture du dioxyde de carbone

2007 PE2.1-9Identification des besoins de recherche pour

l’optimisation de la combustion du syngazdans les turbines à gaz

Programme ANR (Programme National Bioénergies)Liste des projets impliquant des laboratoires du CNRS

2006

ANAPUR : Analyses et traitements de composés traces dans un gaz de synthèse issu de procédés de pyrolyse/gazéification de la biomasse pour la production catalytique de biocarburants.Coordinateur : Anthony Dufour (Gaz de France)

DIVHYDO : Diversité des hydrogénases et de leur réactivité à l’oxygène.Coordinateur : Laurent Cournac (CEA)

PROMETHEE : Compréhension et optimisation de la Production par voie biologique en phase fermentaire de Méthane et d’Hydrogène à partir de la fractionorganique des déchets des ménages.Coordinateur : Christophe Aran (CREED-Véolia)

SHAMASH : Production d’un biocarburant lipidique par des micro-algues.Coordinateur : Olivier Bernard (INRIA)

BIOSTAR 2 : Optimisation et qualification d’un reformeur à membrane compact fonctionnant au bioéthanol.Coordinateur : Fabien Auprêtre (Compagnie Européenne des technologies de l’hydrogène)

2007

HYLIOX : Ingénierie enzymatique de l’hydrogénase pour une production d’hydrogène photosynthétique.Coordinateur : Marc Rousset (UPR9036 CNRS)

E-TRICEL : Exploration de la biodiversité enzymatique pour la complémentation du secrétome de Trichoderma reesei afin d’améliorer l’hydrolyse des lignocelluloses.Coordinateur : Pedro Maldonado-Couthinho (UMR6098 CNRS - Université de la Méditerranée)

BIOCAT H2 : Sélection, protection et immobilisation de biocatalyseurs réversibles pour biopiles à hydrogène.Coordinateur : Marie-Thérèse Giudici-Orticoni (UPR9036 CNRS)

BIOSOLIS : Développement de phorobioréacteurs solaires intensifiés en vue de la production à grande échelle de bioénergies par microorganismes photosynthétiques.Coordinateur Jérémy Pruvost (Université de Nantes)

HEMICEL : Prétraitement de la biomasse forestière par autohydrolyse. Valorisation des hémicelluloses pour la production d’éthanol.Coordinateur : Nicolas Brosse (Université Henri Poincaré)

LIPICAERO : Production microbienne de Lipides spécifiques à usage biocarburant pour l’Aéronautique : Approche intégrée de Physiologie au Procédé.Coordinateur : Carole Molina-Jouve (Institut National des Sciences Appliquées).

GDR BioH2Voies Biologiques et Biomimétiques de Synthèse et d'Utilisation de l'Hydrogène

44 équipes de recherche21 Laboratoires

11 Projets ANR: 6 Blancs + 5 PNRB5,9 M€

Directeur: Marc Rousset CNRS, BIPDirecteur adjoint: Laurent Cournac CEA, LB3M

http://www. bioh2.cnrs-mrs.fr

GDR BioHGDR BioH22Voies Biologiques et Biomimétiques de Voies Biologiques et Biomimétiques de Synthèse et d'Utilisation de l'HydrogèneSynthèse et d'Utilisation de l'Hydrogène

44 équipes de recherche21 Laboratoires

11 Projets ANR: 6 Blancs + 5 PNRB5,9 M€

Directeur: Marc Rousset CNRS, BIPDirecteur: Marc Rousset CNRS, BIPDirecteur adjoint: Laurent Cournac CEA, LB3MDirecteur adjoint: Laurent Cournac CEA, LB3M

http://www. bioh2.cnrshttp://www. bioh2.cnrs--mrs.frmrs.fr