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Parole d’expert
Les microalgues : un défi énergétique ?
Fabrice FRANCK, ULg - Laboratoire de bioénergétique
En collaboration avec Bioliège
Avec le soutien de :
Les microalgues : un défi énergétique ?
1200 L.ha-1.an-1 ?
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)
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
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
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
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
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
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
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
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
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)
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,…
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 ?)
• 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,…)
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
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
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
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
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 ?
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
Merci pour votre attention !
Fabrice Franck Maître de recherches FNRS
Laboratoire de Bioénergétique, B22 Université de Liège [email protected]
www.biophoto.ulg.ac.be