production de biocarburant à partir des micro-algues

Production de biocarburant pour automobile à partir de micro-algues

Préparé par:BACH TARZI KhaledMOKRANI Selima Senda

Introduction

Les biocarburants contribuent à diversifier les sources d'énergie dans les transports, à réduire la dépendance au pétrole.

En réduisant les émissions des gaz à effet de serre, les biocarburants offrent un réel potentiel.

Cependant, leur impact énergétique et environnemental font l'objet de nombreux débats.

Plan

I. Biocarburant

II. Matière première

III. Procédé de production et utilisation

IV. Discussion et perspectives

Biocarburant

Biocarburant de IIIe génération: à base de lipides; extrait à partir des micro-algues; biodiesel, bioéthanol, biokérosène, biogaz,

biohydrogène, butanol, etc. suivant le procédé choisi.

Algocarburant

Matière Première

Algues microscopiques (1-10 µm) unicellulaires, dont la croissance est rapide.

Abondantes dans les milieux aquatiques. Naturellement riches en lipides,

principalement sous forme de triglycérides. Ont une forte activité photosynthétique:

Micro-algues lipidiques

Micro-algues Canne à sucre

Efficacité photosynthétique Jusqu’à 9% 6%

Source: Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012

Matière Première

Métabolisme autotrophe: source de carbone: carbone inorganique (CO2 et

HCO3-);

source d’énergie: lumière du soleil (photons).

Métabolisme hétérotrophe: source de carbone et d’énergie: carbone

organique (ex: nutriments), à l’abri de la lumière.

Métabolisme

Procédé de Production

Sélection: selon la richesse en huile

Culture: grands bassins de plein air, photo-bioréacteurs ou fermenteurs

Récolte, extraction de l’huile: centrifugation/ lyse thermique…etc.

Conversion en biocarburant: trans-estérification/ hydrogénation…etc.

Procédé de Production

Les micro-algues sont préalablement sélectionnées selon leur teneur lipidique qui peut atteindre 80% de la matière sèche.

Remarque: généralement la teneur en lipides est entre 20 et 50%.

Environ 300 espèces (sur un ensemble de 200.000-800.000) ont été identifiées pour leur richesse en huile.

Sélection

Procédé de Production

Il existe trois types de culture pour micro-algues: système ouvert: bassins à ciel ouvert; système fermé: photobioréacteurs, fermenteurs. système hybride

Les conditions de culture sont: autotrophes: eau, sels minéraux, CO2 et lumière; ou hétérotrophes: sucres (ex: eau usée), à l’abri

de la lumière.

Culture

Culture

Milieux: bassins aériens ou photo-bioréacteurs. Inconvénients:

production faible en huile; sinon, faibles % de croissance micro-algale; lipogenèse affectée par le manque de lumière; besoin en eau élevé, lié aussi à l’évaporation; contamination (poussière…) stérilisation.

Solution: utiliser le photo-bioréacteur, un milieu entièrement contrôlé et sécurisé.

Culture autotrophe

Photo-bioréacteurs (IGV Biotech)

Bassin de plein air, au Nouveau-Mexique (Joule Unlimited)

Culture

Milieu: fermenteurs de volume 80-200 m3.Avantages:

productivité et densité algale améliorées;

contrôle du procédé: pH, T°, [O2], agitation; stérilisation possible contamination évitée.

Culture hétérotrophe

Bassin ouvert Fermenteur

Biomasse algale (g/L) 0.5-1.0 20-100

Source: Pienkos et Darzins (2009); Borowitzka (1998)

Fermenteur, à New Delhi (Biomate India Pvt Ltd)

Procédé de Production

Les micro-algues produisent des lipides, principalement des triglycérides.

Les micro-algues ont une très bonne productivité lipidique:

Production d’huile

Maïs Soja Jatropha Palmier à huile Micro-algues

Production d’huile (L/ha) 172 446 1.892 5.950 20.000-60.000

Source: Micro-algues et biocarburants de troisième génération (Florian Delrue, CEA)

Procédé de Production

Les algues sont séparées de l’eau du milieu régulièrement, suivant différentes méthodes:

La choix dépend de la concentration en biomasse et du diamètre des micro-algues.

Récolte

coagulation-floculation /

sédimentation

coagulation-floculation /

flottation

centrifugation filtration

Récolte

Principe: rétention des micro-algues de très faible densité à travers une membrane.

Cependant, la succion exercée par la pompe entraîne fréquemment l’obstruction de la membrane volume traité limité.

Solution: pompe exerçant une pression au-dessus du filtre ou couteaux rotatifs anti-agglomérats plus de volumes traités.

Filtration

Récolte

Principe: séparation des micro-algues de leur milieu de culture par application d’une force centrifuge.

Avantage: concentration des micro-algues (aspect pâteux).

Centrifugation

[Biomasse]initiale: 10-20 g/L

[Biomasse]finale:100-200 g/L

Récolte

Principe: agglomération de la biomasse algale par ajout de floculants formation de flocs algaux, facilement récoltés.

Floculants: chlorure d’aluminium (AlCl3) et de fer III (FeCl3).

Inconvénients: les floculants coûtent cher et il devient impossible de générer des coproduits.

Floculation

Procédé de Production

Avant de procéder à l’extraction des huiles, il est parfois nécessaire de recourir au séchage de la biomasse.

Étape très énergivore. Solution: utiliser des techniques d’extraction

à partir de biomasse humide.

Séchage

Procédé de Production

Étape cruciale affectant la rentabilité du procédé, fait appel à plusieurs techniques:

Extraction des lipides

traitement au solvant

liquides ioniques

champs électro-magnétiques ultrasons

Extraction

Effectué seul suite au séchage 70-75 % de l’huile (algues récoltées) est récupérée.

Effectué en combinaison avec l’extraction par un solvant (hexane) 95 % de l’huile (algues récoltées) est récupérée.

Pressage mécanique

Extraction

Le CO2 est liquéfié par application d’une pression importante et par chauffage propriétés d’un gaz et d’un liquide.

Conditions: 44 °C; 90 min; 28 MPa; QCO2=0.79

kg/h. Avantage: 97% d’huile récupérée à partir des

micro-algues récoltées. Inconvénient: coût élevé lié aux appareils.

CO2 supercritique

Extraction

Principe: provocation d’une réduction de la pression osmotique rupture des parois cellulaires des micro-algues.

Choc osmotique

Extraction

Principe: dégradation des parois cellulaires des micro-algues.

Inconvénient: réaction plus dispendieuse que celle à partir de l’hexane.

Enzyme

Conversion en biocarburant

Procédé de Production

Transestérification Hydrogénation catalytique

Réaction de l’huile algale avec du

méthanol/éthanol

Produit: ester d’huile algale (« biodiesel »)

Réaction de l’huile algale avec de l’hydrogène:

Hydrocraquage des molécules insaturées

Produit: hydrocarbure

Conversion en biocarburant

Procédé de Production

Voie biochimique Voie thermochimiqueHydrolyse enzymatique:

libération des sucres

Fermentation des sucres par des micro-organismes

Produit: éthanol

Liquéfaction de la biomasse: 250-350 °C; 100-200 bar;

pas d’oxygène

Produit: hydrocarbure

Procédé de Production (Crédit: IFPEN)

Utilisation

Mélangé au gazole (7% en volume: B7).

Biodiesel

Hydrocarbure

Incorporé en quantité importante au gazole ou au kérosène.

Bioéthanol Mélangé au sans plomb (5% en volume:

SP95).

Exemple

Micro-algues à métabolisme hétérotrophe:

Sélection

Exemple

Un système fermé: fermenteurs.

Culture

Récolte

Sedicanter® (Flottweg), procédé à 2 étages:Pré-concentration de la suspension algale (bac statique)

Extraction de l’eau du pré-concentré algal (centrifugation)

Exemple

Sedicanter® présente des avantages: concentré algal déshydraté à 25% de la teneur

en solides coûts de déshydratation réduits; centrifugation conduite sur le pré-concentré

algal coûts d’exploitation (eau, énergie…) réduits de 60%;

coûts d’investissement réduits de 25%.

Récolte

Coûts d’exploitation et d’investissement réduits sur la base de 120 m3/h en sortie du réacteur.

Sedicanter®, procédé de récolte (Crédit: Flottweg)

Concentré d’algues (Sedicanter® de Flottweg)

Exemple

Système continu de micro-ondes: 1.2 kW, 2450 MHz.

Chauffage de la suspension algale à 80-95 °C, pendant 30 min, en présence d’hexane.

Rendement d’extraction maximal: 76-77%. Analyse de l’huile extraite par GC: taux élevé

en acides gras essentiels et en acides gras insaturés.

Extraction des lipides

Schéma d’un système de micro-ondes (Richardson Electronics, IL, USA)

Exemple

L’extraction par micro-ondes a plusieurs avantages:

chauffage rapide temps d’extraction réduit requiert peu ou pas de solvants économique et écologique

Extraction des lipides

Exemple

Transestérification: Schéma de la réaction:

Réactifs: huile extraite des micro-algues + méthanol;

Catalyseur: chimique ou enzymatique.

Conversion en biocarburant

Conversion en biocarburant

Méthanol: pas assez nucléophile pour attaquer l’huile

algale; peut être utilisé dans des conditions

supercritiques (350 °C; 19 MPa; 400 s) 95-96% de conversion

Réactif

Conversion en biocarburant

Hydroxyde de potassium (KOH): se dissout facilement et rapidement; produit une glycérine résiduelle moins toxique; 1.4x la quantité de NaOH; coûte plus cher que l’hydroxyde de soude.

Conditions: 100 °C pendant 1h.Résultats:

rendement: 89.7% (g/g d’huile algale); coût: 25 $/tonne de biodiesel.

Catalyseur

Conversion en biocarburant

Lipase: lipase Candida sp. 99-125; enzyme immobilisée sur une résine

macroporeuse; 30% (g/g de lipide, 12.000 U/g de lipide).

Conditions: 38 °C pendant 12 h.Résultats:

rendement: 98% (g/g d’huile algale); coût: 236-836 $/tonne de biodiesel.

Catalyseur

Comparaison des différentes technologies de production de biodiesel (I.M. Atadashi et al., 2011)

Exemple

La transestérification suit différentes étapes:

Conversion en biocarburant

Estérification de l’huile algale avec le méthanol (KOH)

Élimination du méthanol en excès (distillation sous-vide)

Neutralisation du glycérol avec l’acide phosphorique

Séparation du glycérol brut / biodiesel (centrifugation)

Exemple

Incorporé directement dans su diesel à la pompe (7% en volume).

Réduit de 70-75% les émissions de GES par rapport au pétrodiesel.

Maintient propres le réservoir, les conduits et le système d’injection du véhicule.

Plus lubrifiant que le pétrodiesel durée de vie du moteur prolongée.

Biodiesel

Discussion

Meilleur que les biocarburants de Ie et IIe génération.

Bilan énergétique

Discussion

Coûts lié à la culture algale: 50% du coût de production pour un photo-

bioréacteur; 30% du coût de production pour un système

ouvert.

Solution: utiliser des déchets organiques comme source de nutriments (eaux usées) et des sources industrielles de CO2.

Bilan économique

Discussion

Coûts lié à la récolte et au séchage des micro-algues:

50% des dépenses énergétiques.

Solution: diminuer la consommation d’énergie.

Bilan économique

Discussion

Coûts de production élevés: 5-10 € le litre de biocarburant, 100-300 $ le baril surcoût (HT) de l’éthanol / l’essence: 50-80%; surcoût (HT) du biodiesel / gazole: 30-75%.

Remarque: si le baril de pétrole atteint les 150 $ et que la technologie (récolte, extraction, conversion) s’améliore le biodiesel 3G devient compétitif.

Bilan économique

Discussion

Marge de progrès servant à rentabiliser la filière:

Bilan économique

Biomasse algale Biodiesel

Produit à HVA Protéines, vitamines, oligo-éléments Glycérine

Secteur Agroalimentaire, pharmaceutique, cosmétique Cosmétique

Source: Institut français du pétrole Énergies nouvelles (IFPEN)

Discussion

Le bilan écologique est estimé à travers l’analyse de deux paramètres:

émission de gaz à effet de serre (GES); empreinte d’eau: process, production de chaleur,

refroidissement.

L’analyse est effectuée pour tout au long du cycle de vie:

culture et récolte des micro-algues extraction et conversion des lipides purification et utilisation du biocarburant

Bilan écologique: analyse du cycle de vie (ACV)

Discussion

Culture: valorisation des terres non arables pas de compétition avec

les surfaces agricoles; consommation considérable de CO2 (2g CO2/g micro-al.)

recyclage du CO2 émis par des usines

besoins en eau et en nutriments (N, P, K) moins important que pour les cultures terrestres;

pas besoin d’herbicides ou de pesticides.

Bilan écologique: analyse du cycle de vie (ACV)

Source: Pierre Kaleja (Lampadaire piégeur de CO2)

Biomasse algale Arbres

1 tonne de CO2/an 1,5 m3 150-200

Discussion

Production: utilisation du charbon pour la distillation

d’éthanol (cas du bioéthanol) bilan négatif; consommation d’eau: éthanol > biodiesel.

Combustion: dégagement de CO2, compensé par celui qui est

consommé moins de GES émis.

Bilan écologique: analyse du cycle de vie (ACV)

½ par rapport au biocarburant 2G

¼ par rapport au diesel de

pétrole

Discussion

Matière première (espèce)

Mode de culture

(énergie, eau…)

Régions de production - consommati

on

Mode de conversion

(bioéthanol, biodiesel…)

Bilans énergétique, écologique et économique

Eau apportée / Bassin:- Californie (aride): 575 L/ L de carburant- Louisiane (pluvieuse): 0 L/ L de carburant

Perspectives

Soutien direct ou indirect à l'investissement dans les unités de fabrication.

Défiscalisation à la vente. Obligation d'incorporation dans les

carburants (UE).

Soutiens publics

Perspectives

Sélection de souches robustes et très lipidiques.

Optimisation de la culture productivité élevée, sur de longues périodes et pour de gros volumes.

Développement de procédés de séparation eau/biomasse et d'extraction de l’huile moins consommateurs en énergie.

Valorisation de masse pour les coproduits.

Axes de recherche

Conclusion

Les algocarburants possèdent plusieurs avantages, dont la réduction d’émission de GES ainsi que la consommation d’eau.

Compatibles avec un développement durable et concurrençant peu/pas les filière alimentaires, les algocarburants doivent être promus.

Pour industrialiser cette filière, il faut fédérer toutes les forces afin de relever les défis technico-économiques, énergétiques et écologiques.

Bibliographie

Micro-algues et biocarburants de troisième génération; Florian Delrue, CEA (12-Déc 2012)

http://www.cad.cea.fr/fr/actualite/pdf/D_Presentation_Microalgue_Biocarburants3G_FD_121212.pdf Ministère de l’Écologie, du développement

durable et de l’énergie (7-Juil 2011)http://www.developpement-durable.gouv.fr/Les-biocarburants-qu-est-ce-que-c.html

Bibliographie

IFP Énergies Nouvelles (IFPEN)http://www.ifpenergiesnouvelles.fr/espace-decouverte/les-grands-debats/quel-avenir-pour-les-biocarburants Projet Shamengo (6 Mars 2012)http://www.youtube.com/watch?v=-LszaceADrE La production de biodiesel à partir des

micro-algues ayant un métabolisme hétérotrophe (Isabelle Cantin, Juillet 2010)

http://www.usherbrooke.ca/environnement/fileadmin/sites/environnement/documents/Essais2010/Cantin_I__08-07-2010_.pdf

Bibliographie

Jean-Philippe Steyer, Inra Narbonne (18 Octobre 2012):

http://www.lepoint.fr/auto-addict/innovations/carburant-l-algue-marine-prometteuse-18-10-2012-1518410_652.php Sundar Balasubramanian, James D. Allen,

Akanksha Kanitkar, Dorin Boldor: Oil extraction from Scenedesmus obliquus using a continuous microwave system – design, optimization, and quality characterizationBioresource Technology, Volume 102, Issue 3, February 2011, Pages 3396–3403

Bibliographie

Kunchana Bunyakiat, Sukunya Makmee, Ruengwit Sawangkeaw, and Somkiat Ngamprasertsith: Continuous Production of Biodiesel via Transesterification from Vegetable Oils in Supercritical Methanol

Marc Veillette, Mostafa Chamoumi, Josiane Nikiema, Nathalie Faucheux and Michèle Heitz: Production of Biodiesel from Microalgae

http://cdn.intechopen.com/pdfs/33981/InTech-Production_of_biodiesel_from_microalgae.pd

Bibliographie

I.M. Atadashi, M.K. Aroua, A. Abdul Aziz: Biodiesel separation and purification: A review (2011)

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960148110003435# Nikitine Clémence, Crampon Christelle,

Boutin Olivier, Badens Elisabeth: Extraction d’huile microalgale par CO2 supercritique. Influence des paramètres opératoires sur les rendements d’extraction.