Biocarburants microbiens

Dimitri AUGUSTINE, Chloé BARON, Andréa CERQUEIRA DO VAL, Laure COLLIGNON, Laura CRUZ, Cybile DELETANG-BOUSSET

         Les biocarburants sont des carburants d’origine naturelle issus de matières organiques non fossilisées, c’est-à-dire de la biomasse. Ils sont principalement produits à partir de plantes. Un biocarburant est un substituant énergétique consistant à remplacer à long terme les énergies fossiles qui servent de carburant comme le pétrole.

         Le mot "biocarburant" (formé du grec « bios –vie, vivant » et du latin « carbo –carbone, charbon ») se distingue en différentes branches : le biocarburant liquide, le biocarburant gazeux et le biocarburant solide. Seuls les biocarburants liquides seront traités dans la suite de cet article.

    Bien que présentés comme un substitut énergétique durable, l’utilisation des biocarburants reste cependant mineure.

Evolution

         La notion des biocarburants commence au début du XXème siècle, il fut mis au point durant l’entre-deux  guerres, mais il fut vite oublié après la 2^nde Guerre Mondiale, du fait du prix bon marché du pétrole. Mais au début des années 2000, celui-ci explose et les problèmes de pollution se posent. Les biocarburants reviennent sur le devant de lascène et les pays industrialisés et émergeants débutent des recherches pour se servir des plantes comme biocarburants. Par exemple, la Suède voudrait être énergétiquement indépendante en 2020. Les pistes et les recherches se sont développées ces dernières années, ce qui a abouti à la découverte de nouvelles « générations » de biocarburants autres que les végétaux issus de l’alimentation comme la lignine pour les biocarburants de la deuxième génération ou les bactéries pour la troisième génération. Mais la recherche pour obtenir de meilleurs rendements pour les biocarburants par l’agriculture intensive pose des problèmes écologiques.

         Les biocarburants ne sont pas encore au point pour remplacer le pétrole. Dans un contexte économique, le biocarburant possède deux  effets positifs: réduire la consommation énergétique et accroître le développement des débouchés économiques et alimentaires grâce à l’agriculture. La production du biocarburant provoque une modification de la pensée des gouvernements dans le domaine de l’écologie, de l’agriculture, de l’industrie, de l’alimentaire et de l’économie. Le fait que le pétrole se fasse rare et qu’à long terme il soit amené à disparaître, oblige le monde à rechercher de nouvelles sources et types d’énergies capable de réduire les effets notoires sur notre planète. Il permet également de créer une économie et même une géostratégie capable d’assurer un développement équitable à tous les pays.

         Des objectifs sont prévus pour 2020 [1] et à ce jour il n’y a aucune raison de douter qu’ils ne seront pas atteints. Mais les évolutions des critères de la durabilité, notamment avec la prise en compte de l’effet CASI (« Changement d´Affectation du Sol Indirect » qui correspond à la conversion de terres et d'émissions de gaz à effet de serre), montrent à une certaine prudence. Quelques pays de l’Europe comme l’Allemagne ont fait le choix de réduire le développement des biocarburants de première génération pour permettre une progression prononcée aux biocarburants de deuxième génération. Mais à cause de son développement industriel, celui-ci ne pourra pas se manifester avant l’autre moitié de la décennie.

         En Europe, les différentes voies de développement des biocarburants de première génération sont limitées par deux facteurs : la disponibilité des terres agricoles et le changement grandissant de la demande mondiale.  L’usage de la biomasse ligno-cellulosique et des algues permettra des bénéfices pour l’environnement plus marqués et de diminuer la pression sur les terres agricoles.

Les différentes générations

         Pour produire des biocarburants de 1^èregénération, on utilise des substrats glucidiques (éthanol, méthanol, butanol, etc.)ou lipidiques (huiles végétales purifiées ou estérifiées). On peut les extraire de plantes comestibles telles que la canne à sucre, la betterave, le blé ou les grains de maïs, qui se révèle être une grande source de glucose, facilement accessible, ou bien de bois, de paille. On utilise ensuite des moyens de séparation de fibres, d’hydrolyse enzymatique et de fermentation (avec des levures telles que Saccharomyces cerevisiae).

Mais ces agrocarburants utilisés sont en compétition importante avec l’alimentation de la population. Le bilan économique est donc médiocre.

    Les biocarburants de 2^ème génération sont fabriqués à partir de la biomasse lignocellulosique, après gazéification préalable de l’eau. Dans ce processus on utilise toutes les molécules d’une plante. Ce sont des biocarburants de synthèse. Mais pour un atome de carbone on n’en récupère que deux tiers en fin de réaction. Le bilan de cette dernière est donc très mauvais. Le seul moyen d’augmenter ce rendement en carbone est d’utiliser une source d’énergie extérieure ce qui représente un coût.

         Enfin, nous avons des biocarburants de 3^èmegénération qui représentent une nouvelle alternative. On utilise les microalgues pour produire du biodiesel. Il existe 200 000 à 1 million d’espèces de microalgues différentes [2]. La production n’entre pas en compétition avec l’alimentation ce qui représente un avantage considérable, le rendement est supérieur à celui des plantes cultivées sur la terre et il est également possible de cultiver ces algues en continu si elles poussent à proximité d’une usine qui leur fournit le CO₂ nécessaire. Ce biocarburant est donc en réelle compétition avec les deux autres générations vis-à-vis du pétrole.

Les biocarburants à partir de microalgues

Qu’est-ce qu’une microalgue ?

         Les microalgues sont des algues microscopiques, c'est-à-dire de petite taille (quelques micromètres au plus). Ce sont des microorganismes monocellulaires ou pluricellulaires eucaryotes. Elles sont photosynthétiques, donc les microalgues sont capables de produire de l'énergie à partir de dioxyde de carbone (CO₂) et d’énergie lumineuse.

Ainsi, elles jouent un rôle important dans le cycle du carbone. Elles vivent dans des milieux aquatiques. Elles ont un intérêt particulier pour la production de biocarburant car elles produisent naturellement des huiles que l'on peut ensuite convertir en biocarburant.

Voies de production des biocarburants

Les différents systèmes de production

         La culture des microalgues se fait dans différents milieux. En effet, elles peuvent vivre de manière autotrophe c'est à dire qu'elles sont capables de faire de la matière organique à partir de minéraux et de la photosynthèse. Dans ce cas, on les met dans un milieu avec de l'eau, des sels minéraux et de l'énergie lumineuse.

         Elles peuvent vivre de manière hétérotrophe c'est à dire qu'elles ne sont pas capables de faire de la matière organiques à partir de matière minérale mais à partir de substances organiques et ce de manière indépendante à la photosynthèse. Dans ce cas, on les place dans un milieu à l'abri de la lumière avec des sucres.

       Dans les milieux favorables, on utilise des bassins ouverts pour cultiver les microalgues, ceux-ci sont peu profonds pour permettre une meilleure diffusion de la lumière (15 à 20 cm). Les bassins ouverts peuvent être des structures naturelles (lac, lagunes) ou construites (bassins de type « raceway »). Les avantages des bassins ouverts sont qu'ils sont facilement constructibles et vont être rapidement opérationnels et productifs. Ils comportent cependant des inconvénients car les cultures sont  difficilement contrôlables, dépendantes de la concentration du CO₂ présent dans l'air et de l'énergie lumineuse du soleil. De plus, les bassins ouverts sont facilement contaminés  par des parasites et ne permettent pas une bonne productivité sur le long terme.

         Dans les milieux défavorables, on utilise des photobioréacteurs. Ce sont des bassins fermés à conditions contrôlées pour optimiser le développement des microorganismes. On y apporte donc les éléments essentiels à ce développement. Les inconvénients sont que ce type de culture est généralement plus coûteux et complexe à construire par rapport aux bassins ouverts mais cela assure un meilleur contrôle de la culture et une meilleure productivité à long terme.

Conversion de l’huile produite par les microalgues en biocarburants

         Les microalgues produisent et accumulent naturellement des lipides. On les récolte puis on extrait et récupère les lipides par lyse thermique ou centrifugation.

Les huiles produites par les microalgues ont une viscosité trop importante pour être utilisées telles quelles ; c'est pourquoi il est nécessaire de diminuer leur viscosité grâce à différentes réactions. On peut convertir les lipides extraits en biocarburant par deux méthodes différentes.

         La première est la transestérification, lors de laquelle se déroule une réaction entre l'huile à convertir et l'éthanol (ou méthanol) à froid avec un catalyseur. Cette réaction aboutit à la formation d'esters éthyliques (ou méthyliques) qui ont des propriétés physiques proches de celles du diesel [3].

La deuxième méthode est l'hydrogénation catalytique, lors de laquelle se déroule une réaction entre l'huile produite par le microorganisme et l'hydrogène, suivie d'un hydrocraquage [3]. L'hydrocraquage consiste à hydrogéner les molécules insaturées grâce à un hydrogène et à un catalyseur. Cette réaction permet la formation d'hydrocarbures que l'on peut ajouter en grande quantité au gazole.

Exemples de l’utilisation des microalgues dans le milieu industriel

         Les micro-algues sont beaucoup utilisées dans le milieu industriel. En effet, de nombreuses compagnies exploitent les microalgues afin de produire des biocarburants. C’est le cas par exemple de la Compagnie du vent (GDF Suez) avec le projet Salinalgue. Ce projet consiste à ne pas laver l’eau de bassins ouverts où vont alors se développer des Dunaliella salina, microalgues présentes dans les eaux salées et consommatrices de CO₂. Elles vont être récupérées et transvasées dans de grands réservoirs tous les mois. Leur huile va alors être extraite et va constituer le carburant liquide, le reste va être transformé en gaz.

         D’autres projets sont également mis en place comme le projet Biocore (BIOlogical Control Of aRtificial Ecosystems) par différentes équipes de l’INRIA (Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique). Les microalgues vont être cultivées dans des étangs à grands rendements ou encore dans des photobioréacteurs où l’on va utiliser les lipides qui sont présents dans les différentes membranes.

         L’INRIA a créé un autre projet : le projet ANR Shamash qui a débuté en décembre 2006 et s’est terminé en janvier 2011. Le budget de ce projet aura été de 2,87 millions d’euros. [3]

         La société Alpha Biotech est également une autre société qui produit des biocarburants à partir de microalgues. Cette société récupère, en moyenne, 35 à 50% des lipides totaux de celles-ci. Ceci va permettre une production d’environ 2 000 litres d’huile par hectare et par an. [4]

Avantages et inconvénients des microalgues

         De manière générale, l’utilisation de microalgues dans la production de biocarburants présente un meilleur bilan énergétique que la production de biocarburants de deuxième génération. Un des avantages de cette utilisation est le fait que l’on peut produire des biocarburants partout et tout le temps, y compris sur des terres non arables. Le CEA (Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives), par exemple, est une des entreprises produisant des biocarburants de troisième génération à partir de microalgues. Elle va pouvoir produire entre 20% et 50% de lipides, cette production pouvant aller jusqu’à 80%. Cette technique va également avoir pour avantage une faible émission de GES (Gaz à Effet de Serre) grâce aux microalgues qui vont pouvoir consommer le CO₂. En revanche, cette technique présente tout de même un inconvénient. En effet, elle va entrainer des coûts de production élevés par rapport aux productions de biocarburants de première et de deuxième génération.

Différents biocarburants à partir d’autres microorganismes

Le genre Clostridium

         Il existe un grand nombre de microorganismes capables de produire des biocarburants tels que le biodiesel, le bioéthanol, le biobutanol. Parmi eux, les bactéries du genre Clostridium, et notamment, Clostridium acetobutylicum et Clostridium thermocellum sont réputées pour leur utilité dans la fabrication de ces biocarburants.

Clostridium thermocellum

         C.thermocellum est capable d’extraire la cellulose présente dans les végétaux et de la transformer ensuite en éthanol. En effet, la bactérie possède un complexe multi-enzymatique, appelé cellulosome, constitué d’une vingtaine d’enzymes catalytiques, dont la majorité sont des cellulases, des enzymes dégradant la cellulose. La forte activité de ce complexe lui permet même de solubiliser de grandes sources de cellulose normalement non-dégradables comme le coton. Malheureusement, le rendement en éthanol produit par C.thermocellumreste assez faible, du fait de la production simultanée d’acétate, de formate et de lactate. De plus, les scientifiques se sont aperçus qu’elle avait développé une résistance à l’éthanol provoquant une diminution de son rendement et cherchent donc un moyen de muter le gène responsable de ce phénomène afin d’inhiber cet effet.

Clostridium acetobutylicum

         C.acetobutylicum (connue aussi sous le nom d’« organisme de Weizmann ») est quant à elle capable de dégrader, en plus de la cellulose, du glucose et de l’amidon. En utilisant l’amidon, elle peut produire de l’acétone, du butanol et de l’éthanol par le procédé ABE (acétone-butanol-éthanol fermentation). La fermentation ABE est similaire à la manière dont les levures produisent l’éthanol servant à fabriquer les vins et les bières, permettant d’obtenir 30% d’acétone, 10% d’éthanol et 60% de butanol [5]. Ce procédé, beaucoup utilisé avant la 1ère Guerre Mondiale, a cependant disparu au long du 20^ème siècle avant de réapparaître récemment, du fait des nouvelles préoccupations en biocarburants.

    

         Les scientifiques cherchent donc maintenant à optimiser le rendement en butanol, qui pourra après transformation, être utilisé en tant que biobutanol. En effet, le rendement en butanol, bien qu’important dans les chiffres, n’est en réalité pas très élevé en comparaison avec la quantité de sucres dégradés. Il faut donc user du génie génétique afin d’augmenter ce rendement, ou même d’implanter cette compétence dans d’autres microorganismes dotés d’un système produisant davantage de butanol. 

Les levures

     Pour produire des biocarburants à l’aide de levures, on va utiliser les parties comestibles des plantes telles que la canne à sucre, la betterave à sucre ou les grains de maïs, car elles sont sources d’une grande quantité de glucose. L’une des levures les plus connus dans la fabrication de biocarburants, notamment de bio éthanol, est Saccaromyces cerevisiae. Elle est en effet capable de dégrader l’amidon et la cellulose. Cependant, elle n’est pas directement en mesure de le dégrader ; il faut d’abord l’hydrolyser à l’aide d’enzymes nommées amylases afin de le transformer en sucres simples. La levure réalise ensuite une glycolyse des sucres obtenus, créant du pyruvate, qui sera alors décarboxylé (en voie anaérobie) pour donner du CO₂ et de l’acétaldéhyde, qui sera enfin réduit afin de produire de l’éthanol. Le même procédé est réalisé pour la cellulose.

La figure ci-dessous illustre la technique utilisée :

Figure 1: production de biocarburants par les levures

         Cependant cette technique pose aussi certains problèmes : d’abord, elle est très chère, et l’usage d’enzymes fabriquées industriellement pour hydrolyser les sucres complexes la rend d’autant plus coûteuse. De plus, elle pose aussi un souci d’éthique ; certains dénoncent le fait que l’on fait pousser des cultures afin de produire des carburants alors que dans plusieurs pays, cette même nourriture manque. De plus, même s’ils possèdent une NEB (net energy balance) positive (c’est-à-dire qu’ils produisent plus de biocarburants que ne consomment de carburants fossiles), cette technique nécessite un apport en énergies fossiles. En outre, la fermentation alcoolique par les plantes ne réduit que de 12% la production de gaz à effet de serre.

Les biocarburants venant des plantes ne paraissent donc pas comme un bon moyen de remplacement, à long terme, des énergies fossiles.

Escherichia Coli

         L'augmentation des coûts d'énergie et les préoccupations environnementales ont appuyé le besoin de produire des carburants  renouvelables et durables. Des efforts importants sont dirigés sur la production microbienne de combustibles par des bioprocédés plus rentables. Les acides gras sont composés de longues chaines alkyles et représentent le pétrole naturel, métabolite primaire pour le stockage d'énergie et de produits chimiques. On isole ces molécules à partir d'huiles végétales ou animales pour produire les biocarburants. Néanmoins, une voie plus économique et contrôlable a été trouvée pour convertir les microorganismes en matière première renouvelable (ex : glucides issus de biomasse).

         E. coli permet de produire des esters à partir de sucres simples. De plus, les cellules productrices de biodiesel expriment les hemicellulases, une étape vers la production de biodiesel de ces composés directement de l'hémicellulose, une composante majeure de la biomasse végétale.

         E. coli utilise des matières organiques qui ne servent pas à l'alimentation pour se développer, ce qui permet de l'utiliser pour produire des biocarburants de seconde génération lorsqu'elle est génétiquement modifiée. On a donc ajouté des chromosomes et des gènes dans l'ADN de la bactérie pour qu'elle sécrète du biodiesel à partir de ses cellules. Grâce à cette méthode, on n'utilise pas de procédé chimique et évite les acides gras que l'on utilise habituellement. La fabrication est donc moins coûteuse car il n'est plus nécessaire de casser les cellules par différents processus.  Les alcools que produit la bactérie libèrent plus d'énergie que les alcools issus de la nature (bois, végétaux...). L'avantage de ce processus est que ce qu’E. coli produit comme biocarburant est semblable à de l'huile et est ainsi non miscible à l'eau. Lorsque l'on modifie la bactérie, on remarque des améliorations sur les souches d'E. Coli comme une forte expression de certains gènes (PDC et Adh) pour orienter le flux de carbone vers la production d'éthanol, une obtention de mutants résistants à l'éthanol et une délétion du gène de la fumarate réductase à l'origine de la formation de succinate. Ces améliorations permettent de meilleures productions d'éthanol.

         Le biocarburant produit à partir d'E. Coli est dit « drop in » ; cela signifie que l'on peut l'utiliser pour les moteurs sans mélange ou modification chimique. Cette méthode permet de limiter les émissions de gaz à effet de serre. L'enjeu de cette pratique sera d'utiliser des biocarburants de deuxième génération ; On n’aura donc pas besoin d'utiliser les terres agricoles des pays en voie de développement au détriment des cultures alimentaires locales comme avec les biocarburants de première génération.

         Cependant, il apparaît au vue des résultats que le rendement est trop faible pour une production à long terme sur le marché, en effet il faut environ 100L de bactéries pour 1 cuillère à café de biocarburant.

         En conclusion, nous avons donc pu voir qu’il existe 3 types de biocarburants. Ceux de 3^ème génération sont les plus intéressants sur le long terme. Il existe néanmoins un inconvénient : si les biocarburants microbiens semblent être une bonne alternative à nos carburants actuels, leur utilisation n’est cependant pas encore d’actualité car les résultats obtenus jusqu’à maintenant ne sont pas exploitables à l’échelle mondiale. Il existe de nombreuses voies de production pour les biocarburants, notamment par des bactéries et microalgues.

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