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Après les biocarburants issus de matières premières alimentaires (première génération), l'effort de recherche porte aujourd'hui non seulement sur ceux issus de sources ligno-cellulosiques (deuxième génération) mais également sur les algues. Selon le US Department of Energy (DOE), le rendement de production énergétique de ces organismes aquatiques serait 30 fois supérieur à celui obtenu à partir de cultures de soja par exemple. En effet, les algues possèdent une structure cellulaire simple, une composition riche en lipides et un taux de reproduction rapide.
La biomasse algale présenterait plusieurs avantages dont :
- une réduction de la surface de culture nécessaire par rapport au maïs
- et au Panic érigé par exemple ;
- l'utilisation d'eau douce non nécessaire, selon les espèces d'algues employées ;
- le recyclage du CO2, et des nutriments provenant de déchets.
Les travaux en cours concernent à la fois les aspects biologiques avec l'amélioration des espèces d'algues, mais également l'optimisation des procédés (récolte, fractionnement, extraction, ...) pour les rendre économiquement viables lors de l'augmentation de l'échelle des procédés.
On se propose ici de développer, à travers trois exemples, les avancées de la recherche et des phases de développement industriel pour accélérer l'exploitation commerciale qui reste le principal objectif des autorités américaines.
Un procédé de conversion simplifié en cours de développement au Michigan State University
Une équipe de chercheurs de l'université du Michigan vient de mettre au point une méthode de conversion directe d'algues humides en biodiesel. Les résultats de leurs travaux ont fait l'objet d'une publication dans le ACS journal Energy & Fuels. Cette méthode présenterait l'avantage d'éliminer les étapes coûteuses de séchage de la biomasse, d'extraction des lipides à l'aide de solvants organiques et d'utilisation de catalyseurs.
Pour ce procédé, l'espèce d'algue utilisée par l'équipe de chercheurs est Chlorella vulgaris qui contient 53,3% de lipides. Les 2 étapes de ce procédé se déroulent de la manière suivante :
1°) Hydrolyse: La biomasse algale contenant 80% d'humidité est hydrolysée; on obtient d'une part une phase solide riche en lipides et d'autre part, une phase aqueuse riche en nutriments.
2°) Transestérification supercritique in situ (SC-IST/E): Les solides humides et riches en acides gras subissent une réaction de transestérification supercritique in situ (SC-IST/E) avec de l'éthanol pour produire du biodiesel sous la forme d'acides gras de type esters d'éthyl (FAEEs : Fatty Acid Ethyl Esters).
Selon Phillip Savage, le responsable du projet, ce procédé ne serait pas économiquement viable à l'échelle industrielle. Bien que prometteur, le procédé nécessite d'être amélioré et optimisé afin d'assurer sa faisabilité économique et environnementale à une plus grande échelle. Il reste notamment à étudier comment les cellules, la biomasse algale hydrothermiquement transformée et les constituants intracellulaires influencent la transestérification supercritique et à améliorer le rendement et réduire les apports, comme l'éthanol par exemple.
L'approche intégrée de Algae Aqua-Culture Technology, MT
L'entreprise Algae Aqua-Culture Technology (AACT), basée dans le Montana, a développé un système de transformation d'algues et de déchets de bois en méthane pour le chauffage et la production d'électricité, d'une part, et en fertilisant organique, d'autre part.
L'originalité de ce système réside dans une approche intégrée qui, de façon similaire à des microprocesseurs, se base ici sur des bioprocesseurs. Il s'agit de composants "intelligents" conçus pour travailler de concert les uns avec les autres ou de façon indépendante. Chaque composant a son propre système de contrôle autonome, qui lui permet de s'adapter aux changements des conditions environnementales.
Les différentes composantes du système et leur rôle respectif sont les suivants :
- 1°) les photobioréacteurs : ils permettent la culture des algues et leur récolte de façon optimale tout au long de l'année dans une serre. Le CO2 est utilisé comme nutriment ainsi qu'une partie de l'azote provenant des produits de digestion des bioréacteurs anaérobiques (voir figure 1). Du CO2 et de la chaleur provenant de l'environnement ou des Organic Carbon EnginesTM sont également utilisés.
Des systèmes de contrôles digitaux (DCS) surveillent et ajustent en permanence de multiples paramètres environnementaux qui maximisent le taux de croissance des algues. Lorsque le DCS enregistre une diminution significative du taux de croissance des algues, la séquence de récolte est initiée et la biomasse est déplacée pour subir la prochaine étape du procédé.
- 2°) les bioréacteurs/digesteurs anaérobiques : ils fonctionnent en deux étapes: la fermentation de la biomasse algale et la méthanogenèse.
- 3°) Le méthane est envoyé dans une microturbine afin de générer de l'électricité pour le fonctionnement du procédé et une partie est renvoyée au Organic Carbon EngineTM pour la production de CO2 et de chaleur. Le CO2 libéré par la microturbine est renvoyé au photobioréacteur où il sera utilisé comme nutriment par les algues, ce qui représente un système en boucle fermée.
- 4°) un autre composant important de ce système est le Organic Carbon EngineTM : il s'agit de chaudières pyrolitiques fonctionnant grâce à de la biomasse cellulosique, elles peuvent être utilisées pour fournir de l'énergie thermique aux photobioréacteurs et aux bioréacteurs anaérobiques.
L'électricité actuellement produite est suffisante pour alimenter le procédé et les infrastructures de Algae Aqua-Culture Technology. A terme, l'objectif serait de développer ce procédé à grande échelle et d'optimiser la récupération des excès de chaleur et de CO2. Pour poursuivre ce projet, l'entreprise a été gratifiée d'une subvention de 350.000 dollars du Montana Department of Environmental Quality. Selon le CEO, pour rendre la technologie économiquement rentable, il serait nécessaire de mettre en place entre 3 et 5 unités de ce type. La difficulté réside en l'intégration des différentes composantes du système, leur optimisation et leur contrôle.
Une plateforme pour l'optimisation des phases pré-industrielles pour Aurora Algae, CA
L'entreprise Aurora Algae, en Californie, a inauguré le 3 septembre 2010 une plateforme pour la production, à partir d'algues photosynthétiques, de produits à destination des marchés pharmaceutiques, des suppléments nutritionnels, de l'aquaculture et des carburants. Le groupe souhaite marquer ainsi son ambition de passer de l'échelle pilote à l'échelle commerciale. Ceci est le résultat de 4 années de recherche au cours desquelles l'entreprise aurait développé des souches d'algues adaptées à une production commerciale à grande échelle.
Selon Graig Bafalis, PDG de la société, les objectifs majeurs de cette plateforme sont notamment axés sur :
- la réponse à la demande mondiale de protéines (augmentation de 74% prévu d'ici à 2050) et d'Omégas 3 (produits pharmaceutiques, aliments santé et boissons) ;
- la diminution des impacts environnementaux (réduction des émissions carbonées, économie d'eau)
Ce procédé utilise des algues modifiées génétiquement. En effet, les souches d'algues photosynthétiques développées sont moins riches en chlorophylle que le type sauvage, ce qui permettrait une pénétration plus profonde de l'énergie lumineuse, d'où un rallongement de la période de reproduction des algues et une augmentation du rendement. Le procédé utilisé pour la récolte des algues est issu d'une technologie communément employée dans l'industrie de traitement des eaux usées et qui serait peu coûteuse en énergie comparé à l'approche traditionnelle de centrifugation.
Ces améliorations par rapport aux méthodes traditionnelles de production, récolte et extraction, combinées à la capacité de cette entreprise à recycler les excès de CO2 des usines tiers constitueraient un procédé à faible coût pour l'exploitation commerciale à plus grande échelle de ces organismes photosynthétiques.
Pour conclure, ces trois exemples ont en commun un objectif de développement durable dans le cadre de l'optimisation des opérations industrielles dans un but de rentabilité économique mais également de multiplication des applications potentielles de la biomasse algale. Des moyens financiers considérables sont alloués pour soutenir la recherche sur ce sujet et ce dans le cadre de nombreuses recherches collaboratives au sein des universités. On peut notamment citer les récents travaux d'analyse du génome complet de Chlorella variabilis qui serait particulièrement intéressante pour la production de carburant de par sa forte teneur en lipides. Ces travaux ont été réalisé par une collaboration internationale regroupant le laboratoire Information Génomique et Structurale du CNRS (Dr. Guillaume Blanc) et les laboratoires américains suivants :l'Institut de génomique du Département de L'Energie (Walnut Creek, Californie), l'Université du Nebraska (Lincoln, NE), l'Institut de Technologie de Georgie (Atlanta, GA), l'Université de la ville de New-York (Brooklyn).
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