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GlucidesAcides gras(lipides)Acides aminés(protéines)valine cystéineglucoseCO2NO3-SO42-Elément %C 51-73O 12-29H 7-10N 6-8P ...
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L’engouement récent pour la production en masse de microalgues pour laproduction de biofuel:-  Largement suscité par l’aug...
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ColzaPalmier à huile SojaJatropha (Reuters)Source végétale	  Biodiesel(L/ha/an)	  Soja	   446	  Tournesol	   952	  Colza	 ...
Bioraffinerie algale (schéma de faible valorisation):-  Disruption des cellules (homogénéisation haute-pression)-  Extract...
Dans les scenarios optimistes, certains aspects importants ne sont pas toujours prispleinement en considération:-  Product...
•  Plusieurs études de faisabilité et d’analyse des coûts, gouvernementales (USA), académiques etprivées•  Basées sur les ...
L’amélioration des souches de microalguesDeux axes principaux:-  l’amélioration de l’efficacité photosynthétique-  l’augme...
Grobelaar J (2010) Photosynth. Res. 106: 135-144Rayonnement solaireLa limitation de la photosynthèse par l’atténuation de ...
Augmenter la productivité par une meilleure utilisation des hautes intensités lumineuses→ La photosynthèse intégrée est ac...
Repérage des triglycérides parfluorescence(Chen CY et al. , Biochem. Eng. J., 2013)L’augmentation du contenu en triglycéri...
Projet Omega (NASA) Offshore Membrane Enclosure for GrowingAlgae, 2010-2012 (Mountain View, California) (http://www.nasa.g...
L’ utilisation de CO2 d’origine industrielleInstallation pilote: cultures de microalgues marineen raceway sur rejets de CO...
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Les microalgues : un défi énergétique ? par Dr Fabrice Franck | Liege Creative, 06.06.13
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Les microalgues sont des micro-organismes photosynthétiques dont la culture commerciale en masse est pratiquée depuis les années '60. Les perspectives d'utilisation de la biomasse microalgale pour la production de biocarburants ont suscité d'importants efforts de recherche au cours des années récentes. Les recherches en cours visent à améliorer les souches d'algues utilisables ainsi que différents aspects des procédés de production, de traitement et d'extraction de la biomasse algale afin d'aboutir à moyen terme à un procédé durable et économiquement viable. C'est le défi énergétique qu'aborde le Professeur Franck, au cours de cette rencontre organisée conjointement par Bioliège et LIEGE CREATIVE.

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Les microalgues : un défi énergétique ? par Dr Fabrice Franck | Liege Creative, 06.06.13

  1. 1. Parole d’expertLes microalgues : un défi énergétique ?Fabrice FRANCK, ULg - Laboratoire de bioénergétiqueEn collaboration avec Bioliège
  2. 2. Avec le soutien de :
  3. 3. Les microalgues : un défi énergétique ?1200 L.ha-1.an-1 ?
  4. 4. Les microalgues: microorganismes aquatiquesphotosynthétiques• Organismes végétaux de taille microscopique (cellules de quelquesmicrons)• Organismes monocellulaires, parfois groupés en colonies oumulticellulaires (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 nutritionpar 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 dequelques heures)
  5. 5. Les premiers travaux sur la culture en masse dans lesannées ‘50 et ‘60Cultures de Chlorelles dans des réacteurstubulaires à Cambridge (Massasuchets),1951Cultures de Scenedesmus en chenal(Gesellshaft für Strahlen- undUmweltforschung, Dortmund) années ‘60Carte solaire :http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Solar_land_area.pngPrincipales 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, substancesautoinhibitrices, fouling
  6. 6. GlucidesAcides gras(lipides)Acides aminés(protéines)valine cystéineglucoseCO2NO3-SO42-Elément %C 51-73O 12-29H 7-10N 6-8P 1-2K 0,8-1,6Mg 0,4-0,8S 0,3-0,4La photosynthèse est essentiellement un processusd’hydrogénation
  7. 7. Production de matière organique terrestre globale : 5 x 1011 tonnes an-1dont environ la moitié par des microalguesH2OO2Transporteursd’hydrogènePigments:chlorophylle,caroténoïdesÉlectrons ‘activés’protons (H+)Transfertd’hydrogèneréarrangementsBiomasse:sucresgraissesprotéinesCO2+ NO3- + SO42-lumière-0,0200,020,040,060,080,10,120 500 1000 1500Photosynthèsenette(µmol O2.ml-1.h-1)Irradiance (µmol photons.m-2.s-1)zone defficacité maximalesaturationphotoinhibition
  8. 8. Cultures en masse de microalgues à ciel ouvert (chenal algal ou ‘raceway’)Ingepro, Pays-BasCyanotech, Hawai (36 ha)Spiruline (Arthrospira platensis)Nature Beta Technologies, Israel (10 ha) Dunaliella
  9. 9. Wijfels, Barbosa (2010) Science 329: 5993Schenk et al. (2008) Bioen. Res. 1: 20Cultures en photoréacteursProviron,BelgiqueSolix Biofuels,USAFotosintetica &Microbiologica, ItalieTriangle airlift reactorPatent US 20050260563Greenfuels, USARoquette, Klötze, RFA
  10. 10. Cultures enphotobioréacteursextérieurs (‘biofence’)Haematococcus pluvialis,Algae Technologies, IsraelLa production actuelle de microalguesAstaxanthine:- Un antioxydant extrêmementpuissant- Valeur commerciale actuelle:2000 $ / kg de pigment pur- Forte demandeProduction mondiale de microalgues actuelle: ± 8000 T / anPrincipales espèces: Athrospira platensis (spiruline), chlorelles, Dunaliella salina,Haematococcus pluvialisMarché principal: nutraceutique (aliments protéinés, antioxydants, omégas 3,…)Développement de nouveaux produits: ex, la fucoxanthine extraite de diatomées
  11. 11. L’engouement récent pour la production en masse de microalgues pour laproduction 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 ‘AquaticSpecies Program’ (U.S. Department of Energy)1 baril = 159 litresPrincipaux 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 fossilesInvestissements dans les recherches sur la production de biocarburant algal: > 2.109 USD
  12. 12. Les lipides des microalguesLe procédé de trans-estérification par le méthanol produit du glycérol (qui pourrait être utilisé dans des processus defermentation bactérienne ou comme substrat carboné pour les microalgues) et le biodiésel sous forme de méthyl-esters. Laréaction est catalysée par des agents alcalins, tels que l’hydroxyde de potassium.Composition en acides gras comparable à celle de plantes oléagineuse: chaîneshydrocarbonées principalement C16 et C18 et degré d’insaturation variableAlternative: liquéfaction hydrothermique de l’ensemble de la biomasse
  13. 13. ColzaPalmier à huile SojaJatropha (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 àdifférentes localisations pour différents contenus enlipides de la biomasse sèche(Weyer et al. Bioenergy Res. 2009)
  14. 14. 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’unehuile-  Upgrading (hydrotraitement,…)Culture d’algues(0,1 - 0,2 %)Nutriments:-  Engrais N, P, K-  Eaux uséesEauCO2:-  Air (0,035 %)-  CO2 industrielEFlocs(5 %)ECake(20 %)EEau, nutrimentsBioraffineriealgaleEnergieCO2réseauBiofuelAutres produitsvalorisablesAgents floculants:pH, phosphates,chitosane,…
  15. 15. Dans les scenarios optimistes, certains aspects importants ne sont pas toujours prispleinement en considération:-  Productivité en biomasse algale sur-évaluée dans beaucoup de communications : limitations par leCO2, 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 (substancesde 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 photobioréacteursLe bilan énergétique (Energy Return On Investment)EROI = ​ 𝐸 𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡/𝐸𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡  = 0,5Objectif: EROI = 3 (15 T huile.ha-1.an-1, incorporation d’éléments photovoltaiques ?)
  16. 16. •  Plusieurs études de faisabilité et d’analyse des coûts, gouvernementales (USA), académiques etprivées•  Basées sur les technologies existantes, ‘raceway’ ou ‘PBR’, et sur les caractéristiques établies ouprojetées de productivité en biomasse et de contenu en lipides des microalgues•  Généralement, utilisation du résidu de biomasse en digestion anaérobie (méthanisation) etvalorisation du digestat comme amendement agricole (→ faible valorisation du résidu d’extractiondes 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 StateUniversity, National Renewable Energy Laboratory, Sandia National Laboratories)-  Plus de variabilité concernant les PBR (moyenne autour de 7 $ /L)Faisabilité économiqueConséquences et directions de R&D:-  La production de biocarburant algal comme seul produit de la biomasse algale esttechniquement possible mais pas économiquement viable-  Besoins en R&D sur différents aspects du processus, principalement: augmentationde la productivité en biomasse et de la teneur en lipides → diminution du coûtglobal par un facteur 2 prévisible, amélioration de l’EROI-  Valorisation de la biomasse résiduelle (> 50 %) dans des marchés d’échellesappropriées (nourriture animale, bioplastics,…)
  17. 17. L’amélioration des souches de microalguesDeux axes principaux:-  l’amélioration de l’efficacité photosynthétique-  l’augmentation du contenu en triglycéridesLa microalgue idéale:-  Efficacité photosynthétique élevée enforte 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 àhautes concentrations-  Faible respiration à l’obscuritéMerchant et al., Curr. Op. Biotech. 2011
  18. 18. Grobelaar J (2010) Photosynth. Res. 106: 135-144Rayonnement solaireLa limitation de la photosynthèse par l’atténuation de la lumière et par la saturation lumineuse aux fortes lumières-0.0200.020.040.060.080.10.120 500 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 defficacité maximalesaturationphotoinhibition
  19. 19. Augmenter la productivité par une meilleure utilisation des hautes intensités lumineuses→ La photosynthèse intégrée est accrueLa solution: modifier la structure des photosystèmes demanière à réduire leurs sections optiquesProjet SUNBIOPATH(FP7)→ La courbe de saturation est modifiéeFormighieri et al. (2012) J. Biotech.Pcentre réactionnelchlorophylles antennesPmutation
  20. 20. Repérage des triglycérides parfluorescence(Chen CY et al. , Biochem. Eng. J., 2013)L’augmentation du contenu en triglycéridesA. Le repérage de souches sauvages ou mutants surproducteurs de lipidesB. Des microalgues transgéniques au métabolisme du carbone modifié- Connaissance des réseauxmétaboliques-  Annotation des gènes impliqués-  Etude des variations d’expressiongénétique dans des conditions quifavorisent la synthèse de lipides-  Développement d’outils detransformation génétique applicablesaux espèces d’intérêtExemples:-  Ifremer Nantes (France): doublementdu taux d’acides gras chez unesouche d’Isochrysis-  Liège (projet BEMA): souches deChlorelles surproductrices de lipidesGuarnieri MT et al. PLOS One, 2011
  21. 21. Projet Omega (NASA) Offshore Membrane Enclosure for GrowingAlgae, 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 ?
  22. 22. L’ utilisation de CO2 d’origine industrielleInstallation pilote: cultures de microalgues marineen raceway sur rejets de CO2 industriel(Seambiotics)(IEC Power Station, Ashkelon, Israel)Projet BEMA (Région Wallonne, Belgique)5% CO2 AirExigence en CO2: 1,8-2,0 T CO2 /T alguesObjectif de productivité:50 g biomasse.m-2.j-1
  23. 23. Merci pour votre attention !Fabrice FranckMaître de recherches FNRSLaboratoire de Bioénergétique, B22Université de LiègeF.Franck@ulg.ac.bewww.biophoto.ulg.ac.be

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