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  Biodiesel et micro-algues
 
Biodiesel et micro-algues

Par Guillaume Calu
Publié le mercredi 1er février 2006. Dernière modification le dimanche 10 juin 2007. 
Les biocarburants sont au coeur du débat sur les énergies renouvelables. Dans cette article, je vous propose de découvrir une source de biodiésel, basée sur la production de micro-algues :

 

L’épuisement à moyen terme des ressources pétrolières a encouragé la recherche d’alternatives énergétiques durables. Les biocarburants sont depuis quelques années portés en avant, mais leur production via les Oléagineuses ne pourrait couvrir à elle seule nos besoins énergétiques. La principale critique avancée concerne la surface cultivée nécessaire. En effet, pour répondre aux 49,35 millions de tonnes équivalent de pétrole consommés par le transport par an en France, il faudrait cultiver 118 % de la surface totale du pays en tournesol ! Même constat avec la production de biocarburants par alcools végétaux (bioéthanol), nécessitant 120% de la surface totale du pays serait concernée (Danielo, 2005). De plus, l’utilisation de produits phytosanitaires et les risques annoncés de conflits agroéconomiques avec les cultures alimentaires rappellent que les biocarburants ne peuvent que représenter une solution de transition, et non remplacer totalement les combustibles fossiles. Dès la fin des années 70, les Etats-Unis se sont penchés sur la production de nouveaux carburants, afin de prévoir le déclin du pétrole. Leurs études, menées sur les micro-algues, ont jeté les bases d’une source de biodiésel prolifique. Aujourd’hui, différentes entreprises et laboratoires de recherche poursuivent ce travail, en cherchant à optimiser la bioproduction et les techniques d’extraction, de la micro-algue à la pompe.

Produire du biocarburant par les micro-algues

Le choix des micro-algues part d’un premier constat : de nombreuses espèces naturelles sont riches en triacylglycerols. En produisant suffisamment de biomasse, il suffirait de récolter ces micro-algues et d’en extraire ces huiles. Il serait alors possible de cultiver massivement, dans de grands bassins en plein air ou dans des bioréacteurs, ces bio-usines cellulaires à carburant. Les premières recherches sur les algues riches en huiles débutent en 1978, aux Etats-Unis, alors que le pays traverse la crise du peak-oil. Le Department of Energy’s Office of Fuel Development fonde un programme de recherche, l’ Aquatic Species Program (ASP), afin de d’évaluer la faisabilité d’une production de biodiesel à partir de micro-algues. De 1978 à 1996, date d’arrêt du programme, les chercheurs impliqués rassemblent une quantité considérable d’informations biologiques et techniques. Leur collection de 300 espèces d’algues, sélectionnées pour leur richesse en lipides, comprend de nombreux groupes taxonomiques : des Chlorophycées (Chlorella, Parietochloris incisa), des Diatomées (Amphora sp., Nitzchia sp., Chaetoceros sp.) ou encore des Chrysophycées. Ces micro-organismes peuvent se montrer particulièrement prolifiques : certains d’entre eux sont capables d’accumuler 50 à 80 % de leur poids sec en lipides, bien que des teneurs comprises entre 20-50% (voir tableau 1) soient plus communes (Bigogno et al., 2002 ; Chisti, 2007) . L’ensemble de ces travaux sont désormais publiés librement sur le site Internet du National Renewable Energy Laboratory (NREL, 1998), et constituent un document de référence.

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Tableau 1 : comparaison des teneurs naturelles en huile chez différentes espèces de micro-algues

Les micro-algues utilisent la photosynthèse pour fabriquer leur matière carbonée réduite, au niveau des chloroplastes. Elles fixent le CO2 en carbohydrates grâce au pouvoir réducteur accumulé et à une enzyme ; la RUBISCO (Ribulose 1,5 biphosphate carboxylase). Le pool de glycérate 3 P ainsi constitué peut être utilisé dans la cellule algale pour biosynthétiser des sucres (saccharose, cellulose, ...) ou des lipides (voie de synthèse des triglycérides). Les recherches menées partent du constant qu’en cas de carence en macro-nutriments (par exemple en silicium pour les Diatomées, ou bien en azote), la croissance est ralentie et la voie de biosynthèse des triglycérides est favorisée. les algues croissent alors peu et accumulent en proportion beaucoup de lipides (NREL, 1998).

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Figure 1 : bioproduction de triglycérides par les micro-algues

Des recherches biotechnologiques furent également menées. L’acétylcoA-carboxylase est une enzyme-clé dans la production de triglycérides. Son identification dans les diatomées productrices d’huiles fut une étape marquante du programme ; aboutissant au clonage du gène de l’acetylcoA-carboxylase. Des diatomées génétiquement modifiées sur-exprimant ce gène furent créées par génie génétique ; cependant ces expériences ne permirent pas d’augmenter efficacement la production d’huiles chez les algues (NREL, 1998).

Produire suffisamment de biomasse

Le potentiel de production de biodiesel par culture de micro-algues a fait l’objet de comparaisons avec ses concurrents, comme les cultures en plein champ de végétaux supérieurs. Parmi les estimations publiées dans la littérature, Y. Chisti estime que pour subvenir à 50% aux besoins énergétiques du transport aux Etats-Unis, la meilleure culture en plein champ consisterait en l’huile de palme, avec 45 Mha de terres mobilisées (24% des terres cultivables disponibles aux Etats-Unis) et un rendement de 5950 L d’huile par hectare. Chisti y oppose des micro-algues à 30% d’huile / poids sec et avance l’utilisation de 4,5 Mha de terres arables (2,5% de la surface totale cultivée) pour un rendement de 58700 L/ha. Cette estimation, basée sur les résultats expérimentaux de biomasse produite en bioréacteurs, reste une projection : actuellement, les meilleurs rendements atteignent 80% des pronostics avancés. Les microalgues présentent de nombreux avantages : leur biomasse double généralement en 24h, mais les plus forts temps de génération en phase de croissance exponentielle approchent les 3,5h. Il est donc possible d’effectuer de régulières récoltes en fonction de la croissance en bioréacteur, contrairement aux végétaux supérieurs. Enfin, bon nombre de scientifiques et d’écologues pointent du doigt le fait que l’utilisation de terres arables pour la production de biocarburants limite forcément la disponibilité des terres pour des cultures alimentaires.

La production à grande échelle de biomasse micro-algale s’effectue généralement par culture continue, en utilisant l’énergie solaire. Il s’agit de cultures en conditions autotrophes, nécessitant un apport en milieu de culture à taux constant. Les ressources nécessaires (le dioxyde de carbone, sels inorganiques et de l’eau ) sont peu onéreuses. Les deux principales méthodes de production utilisées dans ces conditions sont les bassins de type « raceway » et les photobioréacteurs. En complément, cet article abordera également la production en fermenteurs par hétérotrophie. Enfin, l’utilisation de ces techniques de culture couplées à des programmes de phytoremédiation sera exposée.

1.Les bassin de type « raceway »

Ces systèmes se présentent comme un bassin clos, de 0,3 m de profondeur en moyenne, circulaire ou formant des boucles étroitement imbriquées les unes contre les autres (voir figure). Un système d’hélice assure le brassage du volume de culture tandis que deux branchements assurent l’arrivée de milieu de culture frais et le prélèvement de la récolte. Ces systèmes de culture en masse sont utilisés depuis les années 1950. Le plus grand système « raceway » existant occupe une surface de 440000 m². Il est géré par la société américaine Earthrise Nutritionals qui y cultive de la spiruline à des fins alimentaires.

Les bassins de type « raceway » présentent toutefois des points faibles non négligeables : de part le fait que ces bassins sont à ciel ouvert, la productivité peut être affectée par des contaminations non désirées et la perte d’eau par évaporation peut jouer un rôle significatif. Afin de limiter la contamination, de nombreuses espèces sont cultivées dans des conditions extrêmes, comme la spiruline, cultivée en milieu très alcalin (Shulz, 2006), ou bien Dunaliella salina dans des eaux fortement salines (Eilat, Israël). Enfin, la biomasse ne doit pas être trop forte afin d’éviter que la pénétration des rayons lumineux reste limitée à une partie de la colonne d’eau en bassin.

2.Photobioréacteurs

Afin de produire d’importants volumes de micro-algues, différents modèles de photobioréacteurs tubulaires ont été développés.

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Figure 2 : Photobioréacteur tubulaire en hélice de type BIOCOIL (1000 litres)
Crédits : Murdoch University, Western Australia. Avec l’aimable autorisation du Pr. Michael A. Borowitzka

Un photobioréacteur tubulaire est constitué tubes transparents (verre ou plastique) d’un diamètre de 0,1 m maximum. Le diamètre du tube reste limité, afin de permettre une pénétration optimale de la lumière dans tout le volume de culture. Afin de palier à ce problème, ces photobioréacteurs se composent d’une succession de rangées de tubes, alignés de manière horizontale ou verticale par rapport au sol ; ou bien enroulés en hélice (figure 2).

La culture a lieu en mode continu. La sédimentation de la biomasse est empêchée grâce à un système de brassage du volume de culture par des pompes. Afin d’éviter d’abîmer les algues, des pompes à injection d’air sont préférées à des pompes mécaniques plus classiques.

L’élément nutritif principal de cette production reste donc le CO2, qui doit être présent à des concentrations plus élevées que dans l’atmosphère, afin d’augmenter le rendement de la photosynthèse. Pour obtenir de telles sources en CO2, l’idée est alors venue de coupler des bioréacteurs à des centrales thermiques. De plus, les centrales peuvent aussi fournir des NOx (oxydes d’azote) assimilables par les micro-algues pour leur nutrition.

L’entreprise GreenFuel Technologies a ainsi conçu voici quelques années un photobioréacteur tubulaire triangulaire pour la production d’huiles de microalgues (figure 3).

Un mélange gazeux de CO2 (teneur : 13%) et de NOx est injecté dans le bioréacteur. Le gaz purifié ressort du système par l’apex, tendis qu’un collecteur récupère quotidiennement une partie de la biomasse algale. Les résultats sont doubles : dépollution partielle des gaz rejetés et production de biocarburant. En effet, les systèmes actuels arrivent à dépolluer 82,3% du CO2 (variations de +/- 12,5%) par temps ensoleillé. Si la luminosité baisse, comme lors d’un jour pluvieux, ces taux retombent à 50% (+/- 6,5%) du CO2 (Vunjak-Novakovic et al., 2005). Pour les Nox, les taux de dépollution peuvent atteindre les 86% (GreenFuel Technologies, 2005).

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Figure 3 : principe du bioréacteur triangulaire © GreenFuel Technologies

Le choix entre ces deux méthodes de culture est particulièrement important : en effet, le système « raceway » demande un investissement initial moins important que des photobioréacteurs. Cependant, le volume de biomasse produite y est moindre (plus de 13 fois supérieure dans un photobioréacteur).

3.Les productions hétérotrophes

Les productions dans des fermenteurs, évaluées par certains auteurs ont également été proposées. Il s’agit soit de micro-algues (Miao & Wu, 2006), soit d’autres micro-organismes (Ratledge & Wynn, 2002) cultivées en conditions hétérotrophes à l’aide de carbone organique (comme les sucres). Ce type de culture reste limité, les rendement n’étant pas aussi élevés qu’en autotrophie. Cet article ne développera pas plus en détail ce moyen de production.

4.Cultures « contrôlées » dans des plans d’eau ouverts et phytoremédiation

En 1960, Oswald et Golueke proposaient de traiter les eaux usées en y cultivant en raceway des micro-algues. La biomasse produite peut être ensuite fermentée par des micro-organismes anaérobies afin de produire du biogaz (méthane), convertible en énergie (Oswald & Golueke, 1960). Différents programmes s’inspirent désormais de ce concept précurseur afin de proposer la réhabilitation de sites aquatiques particulièrement eutrophisés. Parmi les programmes existants, le projet concernant Salton Sea illustre bien ce principe de remédiation biologique et de valorisation de la biomasse produite :

Le lac de Salton Sea (974 km²), situé au sud de l’état de Californie, souffre de l’activité agricole. Son niveau varie suivant les précipitations, les drainages et les volumes d’eau déversés par ses trois affluents. Ces derniers y rejettent également chaque année plus de 10000 tonnes d’azote, de phosphate et de potassium, issus des fertilisants agricoles. En conséquence, le milieu aquatique souffre d’efflorescences d’algues (eutrophication), provoquant de graves perturbations écologiques (morts massives de poissons) de ce site, remarquable pour sa biodiversité aviaire.

S’inspirant du principe de phytoremédiation, des biologistes et ingénieurs californiens suggèrent de combattre cette situation (Benemann et al., 2002) en cultivant des micro-algues sur des surfaces totales minimales de 1000 hectares. Cette technique a pour objectif de capter les nutriments inorganiques apportés par les effluents, et de créer des écotones assainies favorables à la faune sauvage et à l’aquaculture. La biomasse produite serait exportée afin de la valoriser en biocarburant, biogaz (énergie utilisable localement pour les besoins des activités agricoles associées à la région) ou dans d’autres domaines (comme la culture de spiruline).

Extraction des triglycérides et production de biocarburant

Les triglycérides obtenus sont extraits des algues (rendement de 70% par première pression). La viscosité de l’huile obtenue est suffisante pour être utilisée par un moteur diesel adapté (Danielo, 2005). Mais elle subit une réaction de trans-estérification permettant l’obtention de glycérol et de monoester méthylique (qui correspond au biodiésel).

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Figure 4 : réaction de trans-estérification

Après raffinage, le biodiésel peut servir de carburant. Sa nature chimique ne contenant ni soufre, ni métaux lourds, il n’est pas toxique et hautement biodégradable. Le raffinage du biodiésel et du glycérol permet d’obtenir un composé second, le méthanol ; il n’a pas d’utilité comme carburant mais peut être récupérable dans la réaction de trans-estérification (figure 4).

Les huiles issues de micro-algues diffèrent des huiles de Végétaux supérieurs par leur concentration nettement supérieure en acides gras poly-insaturés, comme l’acide eicosapentaenoïque (EPA, C20:5n-3) et l’acide docosahexaenoïque (DHA, C22:6n-3). Les acides gras et les esters méthyliques possédant 4 ou plus doubles liaisons risquent de s’oxyder lors de leur stockage et de réduire l’acceptabilité de l’huile. L’insaturation totale est d’ailleurs limitée pour les standards européens : le biodiesel utilisé pour les transports (standard EN 14214) et les huiles de chauffage (standard EN 14213) ne doivent pas dépasser respectivement 120 et 130 g d’iode / 100 g biodiesel [1]. Les huiles de micro-algues peuvent être traitées par hydrogénation catalytique (cette technique est communément employée pour obtenir de la margarine à partir d’huiles végétales insaturées).

SHAMASH : un programme français de production de biocarburant issu de micro-algues

Le projet SHAMASH [2], soumis à l’ANR (dans le cadre du Programme National de Recherche sur les Biotechnologies), vise à produire un biocarburant sous forme de monoester méthylique à partir de micro-algues autotrophes. Un thème de recherche entièrement inédit en France, combinant les compétences de différents laboratoires et instituts de recherche. Comparées aux plantes oléagineuses, les micro-algues représentent plusieurs arguments forts (PNRB, 2007) :

 Les rendements de croissance et de production à l’hectare seraient supérieurs d’un facteur 30.
 Le rendement photosynthétique est beaucoup plus élevé.
 La plasticité métabolique des micro-algues facilite l’orientation de la bioproduction cellulaire vers certains acides gras d’intérêt.
 Aucun apport phytosanitaire n’est nécessaire, et les éléments nutritifs (azote, phosphore ...) peuvent être recyclés pour en maîtriser l’apport.
 Cette production peut générer de nombreux sous-produits valorisables.
 La technologie est exploitable par les pays en voie de développement.

Le programme, doté d’un budget de 2,8 millions d’euros pour 3 ans (2007-2010). Les objectifs retenus n’envisagent pas d’améliorer génétiquement les micro-algues productrices. A l’inverse, les objectifs visent la sélection par la génomique et l’écophysiologique des souches à forte productivité en acides gras, la synchronisation des cultures par le cycle lumineux solaire et l’optimisation de photobioréacteurs clos dévoués à ce type de culture. Enfin, la mise en place de techniques de séparation et d’extraction adaptées aux huiles de micro-algues (mais respectueuses de l’environnement) permettrait au final d’augmenter les rendements tout en diminuant le coût des installations nécessaires. Le biodiésel produit doit être compétitif par rapport aux filières oléagineuses terrestres afin de remporter également le défi économique.

Bilan économique et limites

Le coût de production d’un baril [3] de biodiésel algal est estimé à 100 $ (NREL, 1998). Mais tout dépend de sa méthode de production, ainsi que des améliorations apportées à l’avenir. Est-il possible de remplacer le pétrole par du biocarburant algal ? Actuellement, 200.000 hectares seraient ainsi nécessaires pour produire 28,42 milliards de litres de biodiésel algal. Les Etats-Unis nécessiteraient chaque année l’équivalent de 533,63 milliards de litres de biodiésel pour couvrir leurs besoins pour les transports (Briggs, 2004).

Les coûts de production, une fois les taxes, entretient, consommation électrique, chimique, salaires, amortissements et coûts sur investissement inclus, reviendraient à $12.000 par hectare. Afin de produire assez de carburant pour un pays comme les Etats-Unis, il faudrait compter près de $46,2.109/an ; soit 3,85 millions d’hectares de fermes d’algues (0,39% du territoire américain) ! Par comparaison, la France fait 550000 km2 soit 55 millions d’hectares. Mais la réflexion devient intéressante en comparant avec les $100.109 à $150.109 de pétrole importés chaque année par les Etats-Unis (Briggs, 2004).

Enfin, lors de cet article, nous avons présenté l’exemple de la société Greenfuel Technology Corporation. Il ne s’agit pas de la seule entreprise identifiée comme utilisant la culture de micro-algues pour la production et le piégeage du CO2. Citons donc également les autres sociétés dont nous avons eu échos, par ordre alphabétique : Algae biofuels, Algatechnologies, Aquaflow bionomic corporation, Biofuel systems s.l., Blue sun biodiesel llc, Global green solutions inc, Global Renewable Energy Efficiency Network (G.R.E.E.N.), Greenshift Corporation, HR biopetroleum, Kwikpower International Plc, Livefuels Inc, Mean Green biofuels Corp., Petroalgae llc, Renewable Synthetic Fuel, Solazyme inc, Solix biofuels inc, Valcent products inc, Veridium Corporation, Victor Smorgon Group, XL TechGroup.

Conclusion

Le biodiésel algal est donc un candidat sérieux dans la recherche de sources énergétiques renouvelables et de biocarburants. Reste cependant à améliorer ses systèmes de production, pour que ces premières initiatives se transforment en véritable production de masse !






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