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Papier, déroulage, sciage, bois de chauffe,…



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Considérations générales
Deux challenges : réduire les GES et développer des
alternatives à l’utilisation du carbone fossi...
L’utilisation de la biomasse lignocellulosique réduit la compétition
 avec les cultures alimentaires, avec des coûts rédui...
... Mais les procédés de transformation sont bien
                  plus complexes
La transformation de la lignocellulose, un
            challenge pour le futur


• De l’utilisation de l’amidon et des suc...
Lignocellulose : quel procédé de transformation pour la production
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 Production...
Différentes sources de biomasse
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Potentiel de production de biomasse dans l’UE
Evolution du potentiel de différentes ressources en biomasse


  Potentiel                                   Cultures pére...
Le genre Populus

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réparties dans l’hémisphère nord
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Les peupleraies cultivées, des forêts à haute productivité

                     2% de la surface forestière
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Le peuplier : un arbre modèle en génomique des arbres
• Croissance rapide




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Culture de peuplier dédiée à la production de biomasse
  2 systèmes :
• Taillis à Courte Rotation (TCR) :
    − 1 000 à 2 ...
Optimiser les critères de sélection pour l’amélioration
                  génétique du peuplier exploité en TCR
     - Cri...
A quoi sert le bois…




… pour l’arbre?
Différenciation des cellules de bois
                                    Division

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Le bois est formé principalement des parois de cellules mortes


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Modèle de
formation de la
paroi secondaire

Des microfibrilles de
cellulose cimentées
dans une matrice de
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Du bois au bioéthanol
                                  Ressource lignocellulosique
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La séparation idéale de la biomasse...




Reims -07
… et la realité

                     •   Prodédé Kraft
                     •   Prodédé au sulfite
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Fig. 2-2. Biosynthesis of walls: from genes to polymers.

Images courtesy of Malcolm O’Neill CCRC, U of Georgia)
Variabilité clonale pour le contenu en cellulose chez le peuplier
de 48 à 56 % (75 clones de 3 ans)

Variabilité clonale p...
Différents types de bois


                Bois juvénile / bois
                mature                              Aubier...
Ces deux arbres ont le même âge, mais ont subi une sylviculture différente
Formation du bois de tension




                                   Bois de tension




Bois normal
Timell, 1972        Lignin          Galactose    Glucose       Mannose     Arabinose      Xylose

                    NW  ...
Variabilité importante pour l’aptitude à former du bois de tension
                         chez le peuplier
Optimiser les critères de sélection pour l’amélioration
              génétique du peuplier exploité en TCR
- Critère phyt...
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  production de bioéthanol (par exemple r...
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    Peupli...
Le peuplier

Espèce modèle
pour la génomique chez les arbres

485 Mbp

Plus de 45 000 gènes potentiels
La séquence du génome de peuplier
                                   Genes
                Position (Mb)   potentiels
    ...
- Mieux comprendre l’assemblage de la cellulose, des hémicellulose et des
                               lignines dans le ...
Conclusion


• La production de biomasse est une solution attractive
  (parmi d’autres) pour venir à moyen terme en substi...
Chimie pour le Développement Durable

  RdR1 : Ressources renouvelables, matières
      premières, produits et matériaux.
...
Présentation
L'Atelier de Réflexion Prospective (ARP) VegA, est un projet financé par l'Agence
Nationale de la Recherche (...
TSAR
       Techniques Sylvicoles et Agricoles Rémédiantes




Cluster DREAM
BIOFUELS
                       2nd GENERATION
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Project partners


         Institut National de la Recherche Agronomique
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Vers des bio carburants de seconde génération. Gilles Pilate. INRA
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Vers des bio carburants de seconde génération. Gilles Pilate. INRA

  1. 1. Rencontres chercheurs / enseignants « Nouvelles sources d’énergie » Centre départemental de Documentation pédagogique Tours 11 Février 2009 Vers des bio-carburants de seconde génération? Les potentialités d'utilisation du Peuplier comme culture énergétique Gilles Pilate Unité Amélioration, Génétique & Physiologie Forestiéres INRA Orléans pilate@orleans.inra.fr
  2. 2. Unité Amélioration, Génétique et Physiologie Forestières INRA-Orléans Unité Expérimentale Amélioration des Arbres Forestiers INRA-Orléans G. Bodinea 3 équipes u 1- Génétique - Amélioration (peuplier, mélèze, pin sylvestre, douglas, merisier) - Diversité génétique - Interaction peuplier-rouilles 2- Méristème Embryogenèse somatique (mélèze, pin) ONF 3- Xylème Arbocentre Formation du bois (peuplier) Université d’Orléans (LBLGC)
  3. 3. Utilisations actuelles du bois Papier, déroulage, sciage, bois de chauffe,… Utilisations nouvelles du bois Energie : Ethanol, combustion/gazéification Matériau : fibres naturelles, bioplastique Molécules : substances duraminisantes, antibactérienne, antifongique… Adaptation du matériel végétal par amélioration génétique - Modifier le développement et le métabolisme des arbres à des fins de production de biomasse et de biomolécules - Accroître le rendement et réduire les intrants de culture Meilleure compréhension des mécanismes moléculaires de la formation du bois
  4. 4. Considérations générales Deux challenges : réduire les GES et développer des alternatives à l’utilisation du carbone fossile. Comment produire durablement des quantités énormes de carbone renouvelable? Nécessité de minimiser la compétition potentielle avec les cultures alimentaires Une réponse : la transformation de la biomasse lignocellulosique, un challenge pour le futur
  5. 5. L’utilisation de la biomasse lignocellulosique réduit la compétition avec les cultures alimentaires, avec des coûts réduits et peu de production de GES Ressources agricoles Biomasse lignocellulosique
  6. 6. ... Mais les procédés de transformation sont bien plus complexes
  7. 7. La transformation de la lignocellulose, un challenge pour le futur • De l’utilisation de l’amidon et des sucres à l’utilisation de la plante entière ... Vers la notion de bioraffinerie • Le challenge : être capable d’utiliser l’ensemble de la plante composé majoritairement de lignocellulose • La lignocellulose est la ressource de biomasse ubiquiste : des ressources agricoles et forestières en passant par le retraitement des déchets urbains
  8. 8. Lignocellulose : quel procédé de transformation pour la production de bioénergie? Production Collecte Conversion Etapes [Agronomie] [Logistique] [Prétraitement / Synthèse] Produits Biomasse Intermédiaires Commodités Précondi- Hydrolyse Fermentation tionnement Ethanol Prétraitement Broyage et/ou enzymatique multi-sucres Biomasse méthanisation humide Intermédiaires Biogaz de la lignine Chaleur + Energie Co-génération + H2O Electricité Huiles © INRA / J.Cormeau Gazéification Synthèse Biomasse sèche Précondi- Conditionnement tionnement Hydrocarbures Pyrolyse Broyage et/ou gaz et séparation pyrolyse
  9. 9. Différentes sources de biomasse lignocellulosique • Rémanents forestiers (écorce, copeaux, produits d’élagage) • Sous produits agricoles (paille, bagasse, ...) • Cultures énergétiques (peuplier, saule, switch grass, miscanthus) • Déchets municipaux (papier, emballage,..) Reims -07
  10. 10. Potentiel de production de biomasse dans l’UE
  11. 11. Evolution du potentiel de différentes ressources en biomasse Potentiel Cultures pérennes en C4 Taillis à courtes rotations Cultures annuelles Co-produits Paille Temps
  12. 12. Le genre Populus 6 sections et 29 espèces réparties dans l’hémisphère nord Populus nigra L. Populus deltoides Bartr. ex Marsh. Les peupliers cultivés sont majoritairement issus d’hybridations interspécifiques, Populus alba L. à partir de quelques espèces ... Populus trichocarpa Torr. & A. Gray … et sont plantés en parcelles monoclonales. Populus tremula L.
  13. 13. Les peupleraies cultivées, des forêts à haute productivité 2% de la surface forestière 3ème essence feuillue en volume de bois récolté 1.5 M m3 (2003) = 230 000 ha (Ministère de l’Agriculture et de la Pêche, 2000) 17
  14. 14. Le peuplier : un arbre modèle en génomique des arbres • Croissance rapide (M. Villar, INRA Orléans) • Multiplication végétative (bouturage) facile • Croisements intra- et interspécifiques • Taille du génome relativement petite • Transformation • Collections (G. Pilate et al, INRA Orléans) 18
  15. 15. Culture de peuplier dédiée à la production de biomasse 2 systèmes : • Taillis à Courte Rotation (TCR) : − 1 000 à 2 000 tiges/ha, − Rotations de 7 à 10 ans − Rendement 10 – 12 t MS/ha/an − Produit : petit arbres (diam. 15-20 cm) − Plantation agricole, récolte forestière • Taillis à Très Courte Rotation (TTCR) : − 10 000 à 15 000 tiges/ha, − Rotations de 2 à 3 ans, − Rendement : 12 – 15 t MS/ha/an − Produit : rejets (diam. 3-4 cm) − Plantation agricole, récolte agricole
  16. 16. Optimiser les critères de sélection pour l’amélioration génétique du peuplier exploité en TCR - Critère phytosanitaire : impact de la rouille foliaire intensifié par la densité de plantation. - Critère de productivité : croissance juvénile en compétition, aptitude au rejet de souche. -Critère « Qualité de la biomasse » : critères spécifiques à la production de biocarburants. - 20
  17. 17. A quoi sert le bois… … pour l’arbre?
  18. 18. Différenciation des cellules de bois Division Elongation Mise en place de la paroi II Lignification Mort cellulaire Cambium Coupe transversale de tige de Aubier Duramen peuplier coloration safranine / bleu astra
  19. 19. Le bois est formé principalement des parois de cellules mortes Importance des mécanismes de formation des parois dans la définition des propriétés du bois Bois de peuplier Coupe transversale Microscopie électronique à balayage (F. Laurans, INRA-Orléans)
  20. 20. Modèle de formation de la paroi secondaire Des microfibrilles de cellulose cimentées dans une matrice de lignines et d’hémicelluloses
  21. 21. Du bois au bioéthanol Ressource lignocellulosique (e.g. bois de peuplier) Préparation mécanique (copeaux, broyats) Prétraitement Prétraitement Hydrolyse des hémicelluloses Hydrolyse de la cellulose Lignines dissoutes (sucres en C5et C6) (saccharification) Fermentation Co-produits de la lignine Xylose/Furfural/Ethanol (Production d’éthanol) Le bois est un produit complexe et renouvelable formé de cellulose (glucose), hémicelluloses (sucres en C6 et en C5), et lignines (15-30%). Ces composés sont sources de co-produits à haute valeur ajoutée à coté de la production de bioéthanol, permettant potentiellement de réduire de façon significative les coûts de production.
  22. 22. La séparation idéale de la biomasse... Reims -07
  23. 23. … et la realité • Prodédé Kraft • Prodédé au sulfite • Hydrolydse acide • Explosion à la vapeur (steam explosion) • Procédé Organosolv Présentement, aucun de ces procédés ne permet une opération efficace et bon marché Reims -07
  24. 24. Fig. 2-2. Biosynthesis of walls: from genes to polymers. Images courtesy of Malcolm O’Neill CCRC, U of Georgia)
  25. 25. Variabilité clonale pour le contenu en cellulose chez le peuplier de 48 à 56 % (75 clones de 3 ans) Variabilité clonale pour le contenu en lignine chez le peuplier de 21 à 25% (20 clones de 8 ans)
  26. 26. Différents types de bois Bois juvénile / bois mature Aubier Duramen Bois initial Bois final Bois de réaction Le phénotype (ce qui est observable) du bois est déterminé à la fois par l’environnement et par le génotype (information contenue dans les gènes).
  27. 27. Ces deux arbres ont le même âge, mais ont subi une sylviculture différente
  28. 28. Formation du bois de tension Bois de tension Bois normal
  29. 29. Timell, 1972 Lignin Galactose Glucose Mannose Arabinose Xylose NW TW NW TW NW TW NW TW NW TW NW TW Acer rubrum 25,4 17,5 1 1,6 42,3 59,2 3,3 1,8 1 1,3 18,1 12,2 Betula papyrifera 22 16,1 1,3 5,4 40,3 51,3 2 1,3 0,5 0,5 23,9 17,5 Fagus grandifolia 23,5 17 0,8 3 40,4 54,7 1,8 1,2 0,9 0,8 21,7 13,3 Populus tremuloides 20,9 16,8 1,1 1,4 44,4 54,5 3,5 1,3 0,9 0,8 21,2 17,1 Prunus pensylvanica 17,4 15,6 1,4 2,8 43,4 53,5 2,6 1,5 0,7 0,8 24,9 18,1 Robinia pseudoacacia 30,1 25,2 0,8 1,4 42 51,2 2,2 1,2 0,4 0,3 16,7 14,2 Ulmus americana 21,7 20,2 0,9 1,4 50,2 54,3 3,4 1,5 0,4 0,5 15,1 13,2 En % poids sec Le bois de tension est riche en cellulose et pauvre en lignines Joseleau et al., 2004
  30. 30. Variabilité importante pour l’aptitude à former du bois de tension chez le peuplier
  31. 31. Optimiser les critères de sélection pour l’amélioration génétique du peuplier exploité en TCR - Critère phytosanitaire : impact de la rouille foliaire intensifié par la densité de plantation. - Critère de productivité : croissance juvénile en compétition, aptitude au rejet de souche. -Critère « Qualité de la biomasse » : critères spécifiques à la production de biocarburants. - Identifier des clones de peupliers ayant un bois plus facile à traiter pour la production de bioéthanol (par exemple ratio lignines / cellulose) - Mieux comprendre l’assemblage de la cellulose, des hémicellulose et des lignines dans le bois
  32. 32. - Identifier des clones de peupliers ayant un bois plus facile à traiter pour la production de bioéthanol (par exemple ratio lignines / cellulose) Développement de phénotypage à haut débit Samples Wood chemistry NIR spectra acquisition Kraft cooking Physical tests Fiber morphology Calibration Near Infrared Spectroscopy (NIRS): construction d’une calibration (1/2)
  33. 33. - Identifier des clones de peupliers ayant un bois plus facile à traiter pour la production de bioéthanol (par exemple ratio lignines / cellulose) Développement de phénotypage à haut débit Near Infrared Spectroscopy (NIRS) NIR spectra Reference collection data Predicted lignin content (%) Predicted cellulose content (%) Measured lignin content Measured cellulose content Example of NIRS calibration: Adult maritime pine
  34. 34. - Mieux comprendre l’assemblage de la cellulose, des hémicellulose et des lignines dans le bois Evaluation en TCR de peupliers OGM à lignines modifiées
  35. 35. 100 80 Activity (%) Peupliers à lignines modifiés 60 40 20 315 Control 0 322 Red 327 Red 326 Red 325 Red 324 Red 323 Red 321 Red 320 Red 319 318 317 316 Peuplier témoin Peuplier a faible activité CAD XX XX XX X OH XX OH O OH H X OH OH X X X OH XX X H X X O X X OH XX O XX H OH OH XOH XX OH OH X OH X X OH XXX H O XX X OH X X H OH XX OH X OH O X OH X OH XXX H H OH O O X X X X X H OH XX O OH X X X OH OH XX OH X OH
  36. 36. Le peuplier Espèce modèle pour la génomique chez les arbres 485 Mbp Plus de 45 000 gènes potentiels
  37. 37. La séquence du génome de peuplier Genes Position (Mb) potentiels Kinase T10_6r Kinase 1.0 P_2828 Transferase G_151 G_2667 Unknown T1_25 2.0 T2_32 G_734 Unknown T5_6r Kinase S12_1 3.0 1T1_15r Unknown G_1158 Unknown G_3224 G_1260 Hypothetical protein Kinase 4.0 T1_33 Signal-peptide S13_12 Unknown P_667 Transmembrane_protein G_876 Phage_tail_X peptide Kinase G_2734 5.0 Transferase P_422 Transcriptional factor B3 G_2162 Unknown Putative ATP sulfurylase T9_9 CAD P_684 6.0 PRICHEXTENSIN O_461 Unknown Cyclin-like F-box protein W_14_A O_207 Unknown protein Kinase W_19_A 7.0 Transferase Hypothetical protein W_21_A Unknown S4_18 Actin 8 protein S2_2 Unknown Eggshell protein P_2615 8.0 O_286 40S ribosomal protein Unknown S4_13r Unknown protein S4_14 Transferase P_2797 9.0 Putative glutelin G_3592 Unknown Extensin-like protein G_1754 S6_18 Zinc finger C2H2-type protein Kinase Unknown transferase XYPPX repeat protein Liste de gènes Chromosome XV Sub-region du Chromosome XV 43
  38. 38. - Mieux comprendre l’assemblage de la cellulose, des hémicellulose et des lignines dans le bois - Accès à l’ensemble des gènes qui participent à la formation du bois
  39. 39. Conclusion • La production de biomasse est une solution attractive (parmi d’autres) pour venir à moyen terme en substitution à l’utilisation du carbone fossile. • Entre autres possibilités, la culture du peuplier en TCR présente des potentialités intéressantes qui sont en cours d’évaluation.
  40. 40. Chimie pour le Développement Durable RdR1 : Ressources renouvelables, matières premières, produits et matériaux. Equipes impliquées L e Hav e 1 0 r( 350 chercheurs, enseignants-chercheurs Ca e n ( 0 1 70 équipes de recherche académique 30 unités CNRS 11 Unités INRA 5 Equipes d’Accueil IFREMER, IRD 5 équipes de recherche industrielle
  41. 41. Présentation L'Atelier de Réflexion Prospective (ARP) VegA, est un projet financé par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR), pour une durée de 2 ans (Février 2008- Janvier 2010). Il s'agit d'un travail collectif, largement ouvert à des partenaires diversifiés, d'analyse des besoins de recherche, à partir d'un état de l’art des connaissances scientifiques et des usages de la biomasse ainsi que d'une analyse des besoins futurs en biomasse végétale. L'ARP VegA a pour finalité d’identifier des espèces végétales (plantes annuelles ou pérennes, micro-algues) et des systèmes de production durables, qui répondent aux besoins en biomasse végétale renouvelable. Ces besoins proviennent du développement de nouvelles filières énergétiques, de la chimie verte et des biomatériaux. La durabilité des solutions identifiées est analysée, par une approche systémique qui prend en compte leurs dimensions environnementales, sociales et économiques.
  42. 42. TSAR Techniques Sylvicoles et Agricoles Rémédiantes Cluster DREAM
  43. 43. BIOFUELS 2nd GENERATION PMII FUTUROL « Etablir et valider, techniquement et économiquement, un process pour la production de bioéthanol à partir de biomasse lignocellulosique »
  44. 44. Project partners Institut National de la Recherche Agronomique http://www.inra.fr Sveriges Lantbruksuniversitet http://www.upsc.se Albert-Ludwigs-Universität Freiburg http://www.uni-freiburg.de Flanders Institute for Biotechnology http://www.psb.ugent.be University of Southampton http://www.soton.ac.uk Istituto di Genomica Applicata http://www.appliedgenomics.org Enhancing Poplar Georg-August Universität Göttingen http://gwdu05.gwdg.de/~uffb Traits SweTree Technologies AB http://www.swetree.com Imperial College of Science, Technology and Medicine for http://www.imperial.ac.uk INRA Transfert Energy Applications http://www.inra-transfert.fr CONTACTS Coordinator: Dr. Francis MARTIN INRA, Nancy, France fmartin@nancy.inra.fr Dissemination and Technology Transfer: Dr. Magnus Hertzberg SweTree Technologies, Umeå, Sweden www.energypoplar.eu Magnus.Hertzberg@swetree.com Manager: Dr. Enric BELLES-BOIX INRA-Transfert, Paris, France enric.belles-boix@paris.inra.fr EnergyPoplar European Seventh Framework Project FP7-211917 Food, Agriculture and Fisheries, Biotechnology

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