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Parole d’expert Les microalgues : un défi énergétique ? Fabrice FRANCK, ULg - Laboratoire de bioénergétique En collaboration avec Bioliège

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Parole d’expert

Les microalgues : un défi énergétique ?

Fabrice FRANCK, ULg - Laboratoire de bioénergétique

En collaboration avec Bioliège

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Avec le soutien de :

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Les microalgues : un défi énergétique ?

1200 L.ha-1.an-1 ?

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Les microalgues: microorganismes aquatiques photosynthétiques

• Organismes végétaux de taille microscopique (cellules de quelques microns)

• Organismes monocellulaires, parfois groupés en colonies ou multicellulaires (filaments)

• Habitat le plus souvent aquatique (eau de mer et eau douce) • Multiplication le plus souvent par voie non sexuée

• Nutrition: autotrophes (photosynthèse), parfois possibilité de nutrition par voies mixotrophe et hétérotrophe (carbone organique: glucose,

acétate, glycérol, …) • Classification courante sur base de la couleur (contenu pigmentaire): Ex: Chlorophycées (algues vertes), Rhodophycées (algues rouges),

Cyanophycées (algues bleues, cyanobactéries),… • Croissance rapide par division cellulaire (temps de génération de

quelques heures)

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Les premiers travaux sur la culture en masse dans les années ‘50 et ‘60

Cultures de Chlorelles dans des réacteurs tubulaires à Cambridge (Massasuchets),

1951

Cultures de Scenedesmus en chenal (Gesellshaft für Strahlen- und

Umweltforschung, Dortmund) années ‘60

Carte solaire : http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Solar_land_area.png

Principales conclusions: -  Cultures monospécifiques stables

-  Rendements par unité de surface: 5-20 g.m-2.jour-1

-  Effet stimulateur du CO2 -  Possible utilisation d’eaux usées -  Recyclage du milieu de culture

-  Problèmes identifiés: contaminations, substances autoinhibitrices, fouling

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Glucides

Acides gras (lipides)

Acides aminés (protéines)

valine cystéine

glucose

CO2

NO3-

SO42-

Elément % C 51-73 O 12-29 H 7-10 N 6-8 P 1-2 K 0,8-1,6 Mg 0,4-0,8 S 0,3-0,4

La photosynthèse est essentiellement un processus d’hydrogénation

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Production de matière organique terrestre globale : 5 x 1011 tonnes an-1

dont environ la moitié par des microalgues

H2O

O2

Transporteurs d’hydrogène Pigments:

chlorophylle, caroténoïdes

Électrons ‘activés’ protons (H+)

Transfert d’hydrogène

réarrangements

Biomasse: sucres

graisses protéines

CO2+ NO3- + SO4

2-

lumière

-0,02

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 500 1000 1500

Photosynthèse nette

(µmol O2.ml-1.h-1)

Irradiance (µmol photons.m-2.s-1)

zone d'efficacité maximale

saturation

photoinhibition

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Cultures en masse de microalgues à ciel ouvert (chenal algal ou ‘raceway’)

Ingepro, Pays-Bas

Cyanotech, Hawai (36 ha) Spiruline (Arthrospira platensis)

Nature Beta Technologies, Israel (10 ha) Dunaliella

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Wijfels, Barbosa (2010) Science 329: 5993 Schenk et al. (2008) Bioen. Res. 1: 20

Cultures en photoréacteurs

Proviron, Belgique

Solix Biofuels, USA

Fotosintetica & Microbiologica, Italie

Triangle airlift reactor Patent US 20050260563

Greenfuels, USA

Roquette, Klötze, RFA

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Cultures en photobioréacteurs extérieurs (‘biofence’)

Haematococcus pluvialis, Algae Technologies, Israel

La production actuelle de microalgues

Astaxanthine:

- Un antioxydant extrêmement puissant

- Valeur commerciale actuelle: 2000 $ / kg de pigment pur

- Forte demande

Production mondiale de microalgues actuelle: ± 8000 T / an Principales espèces: Athrospira platensis (spiruline), chlorelles, Dunaliella salina,

Haematococcus pluvialis Marché principal: nutraceutique (aliments protéinés, antioxydants, omégas 3,…) Développement de nouveaux produits: ex, la fucoxanthine extraite de diatomées

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L’engouement récent pour la production en masse de microalgues pour la production de biofuel:

-  Largement suscité par l’augmentation du prix du baril de pétrole entre 2007 et 2008

-  Renaissance de l’engouement des années ’70, qui donna lieu au programme ‘Aquatic Species Program’ (U.S. Department of Energy)

1 baril = 159 litres

Principaux arguments favorables généralement mis en avant: -  Utilisation possible de terres non cultivables

-  Perspectives de productivité en biomasse algale élevée -  Certaines microalgues, dans certaines conditions, sont riches en lipides transformables en biodiésel

-  Réduction des émissions de CO2 en comparaison avec les carburants fossiles

Investissements dans les recherches sur la production de biocarburant algal: > 2.109 USD

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Les lipides des microalgues

Le procédé de trans-estérification par le méthanol produit du glycérol (qui pourrait être utilisé dans des processus de fermentation bactérienne ou comme substrat carboné pour les microalgues) et le biodiésel sous forme de méthyl-esters. La

réaction est catalysée par des agents alcalins, tels que l’hydroxyde de potassium.

Composition en acides gras comparable à celle de plantes oléagineuse: chaînes hydrocarbonées principalement C16 et C18 et degré d’insaturation variable

Alternative: liquéfaction hydrothermique de l’ensemble de la biomasse

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Colza

Palmier à huile Soja

Jatropha (Reuters)

Source végétale  Biodiesel (L/ha/an)  

Soja   446  

Tournesol   952  

Colza   1190  

Jatropha   1892  

Palme   5950  

Algues (10 g m-2 j-1 à 15 % lipides)   6000  

Algues (20 g m-2 j-1 à 30 % lipides)   24000  

Comparaison avec d’autres productions végétales (biodiésel de 1ère génération)

Rendements à l’ha

‘Best case’ productions de biocarburants à différentes localisations pour différents contenus en

lipides de la biomasse sèche (Weyer et al. Bioenergy Res. 2009)

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Bioraffinerie algale (schéma de faible valorisation): -  Disruption des cellules (homogénéisation haute-

pression) -  Extraction (solvant)

-  Séparation de phases (lourde et légère) -  Digestion anaérobie, co-génération (phase lourde)

-  Recyclage solvant (phase légère) et obtention d’une huile

-  Upgrading (hydrotraitement,…)

Culture d’algues (0,1 - 0,2 %)

Nutriments: -  Engrais N, P, K

-  Eaux usées

Eau

CO2: -  Air (0,035 %) -  CO2 industriel

E

Flocs (5 %)

E

Cake (20 %)

E

Eau, nutriments

Bioraffinerie algale

Energie

CO2

réseau

Biofuel Autres produits

valorisables

Agents floculants: pH, phosphates,

chitosane,…

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Dans les scenarios optimistes, certains aspects importants ne sont pas toujours pris pleinement en considération:

-  Productivité en biomasse algale sur-évaluée dans beaucoup de communications : limitations par le

CO2, la pénétration de la lumière, la combinaison défavorable de température et de lumière, …

Efficacité d’utilisation théorique de l’énergie lumineuse: 10 % (400 T.ha-1.an-1) En réalité: 1 à 3 % dans beaucoup de cas (40-120 T.ha-1.an-1), même sans limitation par le CO2 .

-  Opposition fréquente entre croissance (division cellulaire) et accumulation de lipides (substances

de réserve de C) -  Estimations parfois biaisées des lipides exploitables (acides gras versus lipides totaux)

-  Durabilité des systèmes de culture -  Maintenance, en particulier dans le cas de photobioréacteurs

-  Transposition à large échelle, problématique pour les photobioréacteurs

Le bilan énergétique (Energy Return On Investment)

EROI = 𝐸𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡/𝐸𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡  = 0,5 Objectif: EROI = 3 (15 T huile.ha-1.an-1, incorporation d’éléments photovoltaiques ?)

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•  Plusieurs études de faisabilité et d’analyse des coûts, gouvernementales (USA), académiques et privées

•  Basées sur les technologies existantes, ‘raceway’ ou ‘PBR’, et sur les caractéristiques établies ou projetées de productivité en biomasse et de contenu en lipides des microalgues

•  Généralement, utilisation du résidu de biomasse en digestion anaérobie (méthanisation) et valorisation du digestat comme amendement agricole (→ faible valorisation du résidu d’extraction des lipides)

Conclusions majeures: -  Coûts en capital > coûts de production -  Peu d’économies d’échelle -  Coût global plus élevé en PBR (± 2,5 X) qu’en ‘raceway’ -  Forte sensibilité vis-à-vis de la productivité en biomasse et du taux de lipides des microalgues -  Bon accord entre différentes études sur ‘raceway’: 2,8 à 3,6 $ / L (Seambiotics, New Mexico State

University, National Renewable Energy Laboratory, Sandia National Laboratories) -  Plus de variabilité concernant les PBR (moyenne autour de 7 $ /L)

Faisabilité économique

Conséquences et directions de R&D: -  La production de biocarburant algal comme seul produit de la biomasse algale est

techniquement possible mais pas économiquement viable -  Besoins en R&D sur différents aspects du processus, principalement: augmentation

de la productivité en biomasse et de la teneur en lipides → diminution du coût global par un facteur 2 prévisible, amélioration de l’EROI

-  Valorisation de la biomasse résiduelle (> 50 %) dans des marchés d’échelles appropriées (nourriture animale, bioplastics,…)

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L’amélioration des souches de microalgues

Deux axes principaux: -  l’amélioration de l’efficacité photosynthétique

-  l’augmentation du contenu en triglycérides

La microalgue idéale: -  Efficacité photosynthétique élevée en

forte lumière -  Contenu élevé en lipides

-  Biomasse résiduelle exploitable -  Sédimentation aisée

-  Large tolérance aux variations de pH -  Tolérance aux températures élevées

-  Peu sujette aux contaminations -  Faible autoinhibition de croissance à

hautes concentrations -  Faible respiration à l’obscurité

Merchant et al., Curr. Op. Biotech. 2011

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Grobelaar J (2010) Photosynth. Res. 106: 135-144

Rayonnement solaire

La limitation de la photosynthèse par l’atténuation de la lumière et par la saturation lumineuse aux fortes lumières

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0 500 1000 1500I r r a d i a n c e  ( µm o l  p h o t o n s .m -­‐ 2 . s -­‐ 1 )

P h o t o s y n t h ès e  n e t t e

( µm o l  O 2 .m l -­‐ 1 . h -­‐ 1 )

zone d'efficacité maximale

saturation

photoinhibition

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Augmenter la productivité par une meilleure utilisation des hautes intensités lumineuses

→ La photosynthèse intégrée est accrue

La solution: modifier la structure des photosystèmes de manière à réduire leurs sections optiques

Projet SUNBIOPATH (FP7)

→ La courbe de saturation est modifiée

Formighieri et al. (2012) J. Biotech.

P

centre réactionnel

chlorophylles antennes

P

mutation

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Repérage des triglycérides par fluorescence

(Chen CY et al. , Biochem. Eng. J., 2013)

L’augmentation du contenu en triglycérides

A. Le repérage de souches sauvages ou mutants surproducteurs de lipides

B. Des microalgues transgéniques au métabolisme du carbone modifié

- Connaissance des réseaux métaboliques

-  Annotation des gènes impliqués -  Etude des variations d’expression

génétique dans des conditions qui favorisent la synthèse de lipides -  Développement d’outils de

transformation génétique applicables aux espèces d’intérêt

Exemples: -  Ifremer Nantes (France): doublement

du taux d’acides gras chez une souche d’Isochrysis

-  Liège (projet BEMA): souches de Chlorelles surproductrices de lipides

Guarnieri MT et al. PLOS One, 2011

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Projet Omega (NASA) Offshore Membrane Enclosure for Growing Algae, 2010-2012 (Mountain View, California) (

http://www.nasa.gov/centers/ames/research/OMEGA) 106 $

Le problème de la surface: cultiver des microalgues dans des installations flottantes ?

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L’ utilisation de CO2 d’origine industrielle

Installation pilote: cultures de microalgues marine en raceway sur rejets de CO2 industriel

(Seambiotics)

(IEC Power Station, Ashkelon, Israel)

Projet BEMA (Région Wallonne, Belgique)

5% CO2 Air

Exigence en CO2: 1,8-2,0 T CO2 /T algues

Objectif de productivité: 50 g biomasse.m-2.j-1

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Merci pour votre attention !

Fabrice Franck Maître de recherches FNRS

Laboratoire de Bioénergétique, B22 Université de Liège [email protected]

www.biophoto.ulg.ac.be