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Les biocarburants issusde microalgues :
vers la troisième générationde biocarburant ?
Olivier BERNARD
BIOCOREINRIA / CNRS / UPMC / INRA
Plan de la présentation
► Quelques mots sur l’équipe BIOCORE
►Les microalgues : introduction
►Potentiel de stockage de lipides et de fixation de CO2
►Résultats issus des projets Shamash et Symbiose
► Conclusion : les défis
Présentation BIOCORE
Lutte biologique
Présentation : équipe BIOCORE
BIOlogical Control Of aRtificial Ecosystems: Développement d’écosystèmes artificiels pour la production d’énergie, la fixation du CO2, la dépollution et la réduction de l’usage de pesticides pour les cultures.
•Modélisation•Estimation•Supervision•Régulation•Contrôle optimal
Epuration de l’eauProduction de biodiesel à partirde microalgues
10 chercheurs, 5 post-docs, 7 doctorants, 2 ingénieurs
Equipe projet BIOCORE
Equipe multidisciplinaire – de la biologie aux mathématiques.
INRIA Sophia AntipolisMéditerranée
INRA LBE
INRA URIH
CNRS/UPMC LOV
INRA Antibes
6
Contexte
• Augmentation du CO2 dans l’atmosphère
• Epuisement des réserves de pétrole
• Besoin de nouvelles sources d’énergie durable
• Agro-carburant de première génération (colza,
tournesol, palme, $) :
• Concurrence avec les cultures alimentaires
• Bilan environnemental mitigé
Les microalgues : introduction
Introduction : microalgues
• Organismes microscopiques (2 - 50 µm)
• Croissance très rapide ~1 doublement / jour
• Entre 200 000 et 1 000 000 d’espèces, 30 000
connues et une dizaine d’espèces cultivées.
Microalgues : une grande biodiversité
10
Les microalgues
Nutriments (N)
Photons
CO2
Microalgues: on les trouve partout
Marée rouge avec le dinoflagellé bioluminescent Noctiluca scintillans
Noctiluca scintillans
Elles se développent naturellement à grande échelle
Elles se développent à TRES grande échelle
Bloom d’Emiliania huxleyi vu par satellite (mer noire)
On peut les cultiver en étangs à haut rendement
(Allemagne)
• 1 ha
• 700 m3
• 500 km de tubes
• 150 tonnes/an
• 25 €/kg
On peut les cultiver en photobioréacteurs
Encore peu cultivées (∼15 000 tonnes/an)
Aquaculture
NutraceutiqueCosmetique
Santé
Bioénergie et
fixation du CO2
Posten et Schaub (2009)
Production de bioénergie à partir de microalgues
Microalgues cultivées sous conditions de carence en azote
Microalgues cultivées dans des conditions de croissance optimales
� Productivités très élevées (20 à 30 T huile /ha/an)
� Pas de concurrence avec des cultures alimentaires
� Pas de pollution des nappes phréatiques
�Consommation du CO2 d’origine industrielle
�Sous-produits à haute valeur ajoutée
Globules lipidiques
Récupération d’une partiede l’énergie solaire
Les lipides dans les microalgues
Les lipides se trouvent principalement sous trois formes
différentes:
Lipides de
réserve:
triglycérides
Lipides utilisables directement
pour transestérification
Membranes :
phospholipides
& glycolipides
Contenu en lipides de diverses espèces (Chisti, 2007)
Production biomasse riche
en lipides
Récolte
Extraction des lipides
Sous produits (pigments,
proteines)
Huile Glycerol
Biodiesel
Culture en systeme ouvert
Les microalgues ont fait les gros titres
Rendements de conversion de l’énergie solaire
Énergie solaire !!
De quelle énergie parle-t-on ?
Énergie solairestockée
Energie nécessaire
• 8 photons sont nécessaires pour fixer 1 CO2
• 1 mole de CO2 assimilée : 475 KJ (PCI) - énergie moyenne
• 1 mole de photons : 217 KJ - énergie moyenne
• Taux maximum de conversion de photons captables pour la photosynthèse :
475 KJ / (8 x 217 KJ) = 27 %
Absorption de la lumière
Required energy
• 45% de la lumière solaire peut être exploitée
Rendement maximum : 12.3 %
La lumière est, le plus souvent, trop forte
Attenuation lumineuse
I/I0
z (cm)0.8 1.6 2.4 3.6 4
I=I0 e-k Chl zChl : [chlorophylle]
Extinction + efficacité photosynthèse
Rendement photosynthétique
FixedCO2 FixedCO2 Dry weight Dry weight Oil 60% Oil 30% Oil 60% Oil 30%
Yield 9.9% 3% 9.9% 3% 9.9% 9.9% 3% 3%
Unit g/m2/D g/m2/D g/m2/D g/m2/D T/ha/year T/ha/year T/ha/year T/ha/year
Almeria 198.7 60.2 108.6 32.9 237.8 118.9 72.1 36.0
Amsterdam 108.9 33.0 59.5 18.0 130.4 65.2 39.5 19.8
Atacama 237.7 72.0 129.9 39.4 284.5 142.2 86.2 43.1
Honolulu 191.6 58.1 104.7 31.7 229.3 114.7 69.5 34.7
Lisbonne 181.9 55.1 99.4 30.1 217.7 108.8 66.0 33.0
Madrid 172.9 52.4 94.5 28.6 206.9 103.4 62.7 31.3
Negev 197.3 59.8 107.8 32.7 236.2 118.1 71.6 35.8
Nice 163.9 49.7 89.5 27.1 196.1 98.1 59.4 29.7
Paris 121.6 36.8 66.4 20.1 145.5 72.7 44.1 22.0
Perth 216.1 65.5 118.1 35.8 258.6 129.3 78.4 39.2
Prague 111.7 33.8 61.0 18.5 133.6 66.8 40.5 20.2
Rome 150.4 45.6 82.2 24.9 179.9 90.0 54.5 27.3
Sahara 224.7 68.1 122.8 37.2 269.0 134.5 81.5 40.8
Potentiel des microalgues : productivité théorique
Projet ANR Shamashquelques résultats
Shamash Production de biocarburant par des microalgues
ANR : Programme National de Recherche sur les Bioénergies (PNRB)
Coordinateur O. Bernard (INRIA)8 partenaires France.
Budget: 2.87 Millions €0.79 Million financé par l’ANR
Soutenu par les pôles de compétitivité CapEnergies et Mer
Et par le CG 06
Démarrage : décembre 2006Fin: janvier 2011
Shamash Un projet multipartenaire et pluridisciplinaire
M2P2
Purification
CIRAD
Caractéristiques et
utilisation carburantIFREMER
Sélection espèces à potentielGEPEA
Photobioréacteurs
CNRS-LOV
Métabolisme lipides
CEA
Mécanismes métaboliques
INRIA
Modélisation & contrôle
INRIA
Coordination
CIRAD
Extraction lipides
Alpha Biotech
Cultures en raceway
Observation des lipides pour différentes espèces
Exploration de la biodiversité
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
Χηλορελ
λα ϖ
υλγα
ρισ
Βοτ
ρψοχ
οχχυ
σ βραυνι
ι
Νιτζσ
χηια
δισσιπ
ατα
Ναϖ
ιχυλ
α µυραλι
σ
Ισοχη
ρψσισ (Τ
αηιτια
ν)
Χηαετ
οχερο
σ µυελ
λερι
∆υναλιε
λλα σ
αλι
να
Πηαεο
δαχτψ
λυµ τ
ριχο
ρνυτυ
µ
Πορ
πηιρ
ψριδι
υµ χρ
υεντυ
µ
Σχενε
σδεσµυ
σ οβλι
θυυσ
Αµπηορα σ
π.
Χψχλο
τελλα
χρψ
πτιχα
Τηαλασσιοσιρ
α πσευ
δονα
να
Νανν
οχηλο
ροπσ
ισ
Νιτ
σχηια
χοµµ
υνισ
Νανν
οχηλο
ρισ σ
π.
Ανκισ
τροδε
σµυσΗα
ντζσ
χηια
Οχηρο
µονα
σ δανι
χα
Παριετ
οχηλο
ρισ ιν
χισα
Σψνεχηοχ
οχχυ
σ σπ.
Τετρα
σελµι
σ απ.
Παϖ
λοϖα λ
υτηερ
ι
Μον
οραπη
ιδιυ
µ µιν
υτυµ
Φρα
γιλα
ρια
Σκελε
τονε
µα
Νεπ
ηροσελ
µισ
Νεοχηλο
ρισ ο
λεοαβυν
δανσ
Ναϖ
ιχυλ
α πελ
λιχυ
λοσα
Οδοντ
ελλα α
υριτα
Ισοχη
ρψσισ α
φφ. Γ
αλβ
ανα
Χηαετ
οχερο
σ γραχιλ
ισ
Χηλαµψδο
µονασ ρ
ηεινη
αρδιι
Χηλορ
οχοχ
χυµ
Χρψπτ
οµον
ασ
Χψλιν
δροτ
ηεχα
χλο
στεριυ
µ
∆υναλιε
λλα β
ιοχυ
λατα
∆υναλιε
λλα π
ριµο
λεχτ
α
πολψποδ
οχηρψσισ
Ηετερ
οχαπσα ν
ιει
Ναϖ
ιχυλ
α ϕεφ
φρεψ
ι
Ναϖιχ
υλα σ
απροπ
ηιλα
Νιτσχη
ια ο
ϖαλι
σ
Παϖλοϖ
α π
ινγυ
ισ
Προ
τεοµον
ασ συλχ
ατα
Ρηοδοµο
νασ σ
αλινα
Σχενε
δεσµυ
σ διµ
ορπη
υσ
Σχενε
δεσµυ
σ θυαδρ
ιχαυδ
α
Σψνε
χηοχχυ
σ σπ.
∆υναλιε
λλα τε
ρτιολε
χτα
Χηαετοχε
ροσ χ
ονστρ
ιχτυ
σ
Πλε
υροχ
ηρψσισ
χαρτ
εραε
note finalepeu importantmoyennement importanttrès important
Evaluation multicritère des performances de 60 espèces
Recherche de souches à forte productivité
Triglycérides
Sélection-mutation
Mutation 2
Sélection 3
UV2
GC3
Tri 3
GC0
Souche wt
UV1
Sélection 1
Sélection 2
Mutation 1
GC2
Tri 2
Tri 1
GC1
Carence en N
Selection –mutation : effet sur Isochrysis affinis galbana
Augmentation de la productivité en TAG
T-iso UV-trié
WT S1M1 S2M20
100
200
300
400
500
Souche
TFA
(m
g.(
gC
)-1)
Souche%
lip
ides
to
tau
x
WT S1M1 S2M20
20
40
60
80
100
Lipides neutres
Glycolipides
Phospholipides
Stabilité après 2 ans
0,00
1000,00
2000,00
3000,00
4000,00
5000,00
6000,00
First analysis second analysis
Nom des souches
To
tal
fatt
y ac
ids
(fg
/cel
l)
Total fatty acids Saturated Mono-unsaturated Poly-unsaturated
0000 5555 10101010 15151515 20202020 252525250000
2222
4444
6666
8888
10101010
12121212x 10x 10x 10x 10
6666
DaysDaysDaysDays
[ce
ll]
ce
lls.m
l[c
ell
] ce
lls.m
l[c
ell
] ce
lls.m
l[c
ell
] ce
lls.m
l-- --11 11
Même taux de croissance
Compréhension de la dynamique de stockage
et de consommation des triglycérides
Utilisation d’un dispositif de culture
automatisé, pour suivre à haute fréquence la
dynamique de cellules dans un environnement
fortement contrôlé.
Carence en N
Effet d’une carence en azote
0.00E+00
2.00E+08
4.00E+08
6.00E+08
8.00E+08
1.00E+09
1.20E+09
27/10 28/10 29/10 30/10 31/10 1/11 2/11 3/11 4/11 5/11 6/11 7/11 8/11
0
50
100
150
200
Carence en NCell/mlN
µmol/l
Fin de la carence en N (ajout de NO3
-)
0
2
4
6
8
10
12
0.0
0.1
0.2
0.3
-5 0 5 10 15
Pro
ductivi
ty (
mg.L
-1.d
-1)
Neutr
al
lipid
/ C
(m
g/m
g)
Time (days)
Neutral l ipids/Carbon
Productivity
►Mais la productivité (mg neutral lipid.L-1.D-1) n’est stimulée
(+15 %) que pendant une periode transitoire
►Forte accumulation de TAG pendant la phase de carence
(+ 44 %) et reconsommation après l’ajout d’azote
Carence en N
Effet d’une carence en azote
0.00E+00
2.00E+08
4.00E+08
6.00E+08
8.00E+08
1.00E+09
1.20E+09
1.40E+09
18-avr 23-avr 28-avr 3-mai 8-mai 13-mai 18-mai 23-mai
Cells / L
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
18-avr 23-avr 28-avr 3-mai 8-mai 13-mai 18-mai 23-mai
Diam cell
0.00E+00
1.00E+10
2.00E+10
3.00E+10
4.00E+10
5.00E+10
6.00E+10
7.00E+10
8.00E+10
18-avr 23-avr 28-avr 3-mai 8-mai 13-mai 18-mai 23-mai
Biovol tot
Fluctuations nychtémérales
En condition de croissance optimale, la culture est
synchronisée par le cycle lumineux
Heure
00.00 00.00 00.00 00.00
µC e
t µ
Ce
ll (j
-1)
-1
0
1
2
3
4Taux de croissanceTaux de division
Fixation de Carbone
Division cellulaire
13/05 14/05 15/05 16/05
temps
Heure de la journée
00.00 00.00 00.00 00.00
Su
cres
(m
g.m
g.C
-1)
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
00.00 00.00 00.00 00.00Lp
ides
neu
tres
(U
.mg
.C-1
)
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
- 26 % du carbone accumulé le jour est respiré pendant la nuit
- 76 % du carbone de réserve accumulé le jour est respiré pendant la nuit
Fluctuations nychtémérales
0.0
0.1
0.2
0.3
6:00 18:00 6:00Time
Lip
id c
las
s/C
arb
on
(m
g/m
g)
0
200
400
600
Lig
ht
inte
ns
ity
(µ
Mq
uan
ta.m
2 .s-1
)
Neutral lipid/Carbon
Phospholipid/Carbon
Glycolipid/Carbon
PAR µE.m.s
Teneurs en phospholipides et en glycolipides non affectés par les cycles J/N.
Fluctuations nychtémérales
-2 -1
Innovalg
Modélisation de la production
lipides
47
Lipides
(l)
Carbone fonctionnel (f)
CO2
Sucres
(g)
Développement de modèles numériques
Mairet et al. Modelling neutral lipid production by themicroalga Isochrysis affinis galbana under nitrogenlimitation. Bioresource Technology, 2010.
Simulations vs données expérimentales
Analyse du modèle
q
h
QmQ0
Chemostat steady state ( ):H(qn) = a + b qn
Batch steady state
Validation experimentale :séquences de taux de dilution
Expérience 1
• Dernière étape : D=0.2
Expérience 2
• Idem, mais
•dernière étape D=0
• Faible teneur finale en TAG
• Valeur finale de TAG élevée
qn, internal N quota (gN.gC-1)
ql, lipid (
gC.g
C-1
)
qn, internal N quota (gN.gC-1)
ql, lipid (
gC.g
C-1
)
Développement de modèles numériques
Simulation numérique = Prédiction des productivités … un gain de temps significatif dans les développements
Innovalg
Innovalg
Production pilote
Valider les résulats obtenus
• Production industrielle chez Alpha Biotech
Alpha Biotech : Système de production
des inoculum
Ballon 20 l
Doubles Colonnes60 l
Raceways sous serre3500 l
Alpha Biotech : raceway extérieur pour la
production de microalgues marines
Alpha Biotech : Résultats
Lipides totaux
(% masse
sèche)
Lipides Neutres
(% matière
séche)
Perte matière
sèche (résultats
M2P2)
Lipides neutres
lipides totaux
Microalgue marine 46% 33% 29% 72%
Acides gras
libresTAG Stérols Pigments
Huile extraite au CO2 Sc 2% 92% 3% 3%
Alpha Biotech : Résultats
• Productivité – En biomasse totale : 3 g/j/m² en moyenne
– 35 à 50% de lipides totaux
– 25 à 36% de lipides neutres
– Équivalent : 2000 litres d’huile /hectare /an
Acides
Gras
saturés mono
insaturés
poly-
insaturés
Objectifs 30% 50% 20%
C14-C22 30-48% 33-50% 30-10%
Innovalg
Analyse du cycle de vie
de production de biodiesel microalgal
Bilan énergétique
L. Lardon, et
al. Environ.
Sci. Technol.
(2009).
•Il faut réaliser l’extraction à partir d’une biomasse humide
• Carence en azote nécessaire
Résultats de l’ACV ( Recipe End Point)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
8.5
9.0
Santéhumaine
Eco-systèmes
Ressources
µalguesColzaPalmeSojaPétrole
� Impact fort de l’electricité et des engrais
���� ☺☺☺☺ ����
0%
25%
50%
75%
100%
Combustion
Heat
Electricity
Emissions
Input
Fertilizer
Infrastructure
0%
Contribution des processus (Recipe Midpoint)
Impact fort de l’électricité et des engrais
Innovalg
Couplage avec la digestion
anaérobie
CO2 CH4
CO2
O2
O2
+ CO2
N, P
MinéralisationHydrolyse/Acidogenese
Méthanisation
Microalgues
Bacteries aerobies
Bacteries anaerobies
CO2
O2
Sédimentation
CO2
Corg
Retour au milieu naturel
Une grande partie de l’azote et du phosphore est recyclée par
« la boucle microbienne »
Etude et Optimisation du Couplage Microalgues-Bactéries Anaérobies pour la
Production d’Energie par Voie Biologique à partir de Biomasse Primaire et de
Déchets Organiques
CO2 CH4
Projet ANR SYMBIOSE (2009-2012)
Culture de microalgues
3
CO2
(effluents gazeux)(effluents gazeux)
Déchetsorganiques
CH4
Biogaz
Eléments nutritifsNH4
+, PO4-, …
Résidus de biomasse algaleaprès extraction
Extraction (Huiles, sucres, …)
Culture de microalgues
Méthanisation
Couplage digestion anaérobie
Couplage microalgues/DA : Algotron
►La phase liquide d’un digestat constitue un milieu de culture
de choix pour les espèces étudiées ($)
►La connaissance des symbiontes bactériens se révèle être
un enjeu dans la culture des microalgues
►Nouveau modèle de production énergétique durable
Couplage microalgues – digestion anaérobie
Innovalg
Conclusions
Conclusion : les grands défis
• Rechercher des espèces à forte productivité en lipides,
faciles à récolter$
• Améliorer les performances de souches « naturelles »
• Pérenniser les cultures face à la biodiversité naturelle
Conclusion : les grands défis
• Développer des modèles numériques capables
d’expliquer les productivités observées
• Evaluer et réduire l’impact environnemental
(démarche d’écoconception)
• En même temps: produire du biodiesel, fixer du CO2
, traiter des résidus et récupérer des composés à
haute valeur ajoutée
• Faire baisser les coûts
L’Institut d'Excellence
pour les Energies Décarbonées (IEED)
GREENSTARS
Conclusion
10 années de recherches
nécessaires pour faire baisser les
coûts
