Les biocarburants issus de microalgues : vers la ... - Institut Coriolis

Présentation : équipe BIOCOREBIOlogical Control Of aRtificial Ecosystems:Développement d’écosystèmes artificiels pour laproduction d’énergie, la fixation du CO 2 , ladépollution et la réduction de l’usage de pesticidespour les cultures.•Modélisation•Estimation•Supervision•RégulationLutte biologiqueEpuration de l’eauProduction debiodiesel à partirde microalgues•Contrôle optimal

Equipe projet BIOCOREEquipe multidisciplinaire – de la biologie auxmathématiques.10 chercheurs, 5 post-docs, 7 doctorants, 2 ingénieursINRA URIHINRA AntibesCNRS/UPMC LOVINRA LBEINRIA SophiaAntipolisMéditerranée

Contexte• Augmentation du CO 2 dans l’atmosphère• Epuisement des réserves de pétrole• Besoin de nouvelles sources d’énergie durable• Agro-carburant de première génération (colza,tournesol, palme, ) :• Concurrence avec les cultures alimentaires• Bilan environnemental mitigé6

Les microalgues : introduction

Introduction : microalgues• Organismes microscopiques (2 - 50 µm)• Croissance très rapide ~1 doublement / jour• Entre 200 000 et 1 000 000 d’espèces, 30 000connues et une dizaine d’espèces cultivées.

Microalgues : une grande biodiversité

Les microalguesCO 2PhotonsNutriments (N)10

Microalgues: on les trouve partout

Elles se développent naturellement à grande échelleNoctiluca scintillansMarée rouge avec le dinoflagellé bioluminescent Noctiluca scintillans

Elles se développent à TRES grande échelleBloom d’Emiliania huxleyi vu par satellite (mer noire)

On peut les cultiver en étangs à haut rendement

On peut les cultiver en photobioréacteurs(Allemagne)• 1 ha• 700 m 3• 500 km de tubes• 150 tonnes/an• 25 €/kg

Encore peu cultivées (∼15 000 tonnes/an)AquacultureNutraceutiqueCosmetiqueSantéBioénergie etfixation du CO 2

Production de bioénergie à partir de microalgues Productivités très élevées (20 à 30 T huile /ha/an) Pas de concurrence avec des cultures alimentaires Pas de pollution des nappes phréatiquesPosten et Schaub (2009)Récupération d’une partiede l’énergie solaireConsommation du CO 2 d’origine industrielleSous-produits à haute valeur ajoutéeGlobuleslipidiquesMicroalgues cultivées dans des conditions decroissance optimalesMicroalgues cultivées sous conditions decarence en azote

Les lipides dans les microalguesLes lipides se trouvent principalement sous trois formesdifférentes:Membranes :phospholipides& glycolipidesLipides deréserve:triglycéridesLipides utilisables directementpour transestérification

Contenu en lipides de diverses espèces (Chisti, 2007)

Production biomasse richeen lipidesRécolteCulture en systeme ouvertExtraction des lipidesHuileGlycerolSous produits (pigments,proteines)Biodiesel

Les microalgues ont fait les gros titres

Rendements de conversionde l’énergie solaire

De quelle énergie parle-t-on ?Énergie solaire !!Énergie solairestockée

Energie nécessaire• 8 photons sont nécessaires pour fixer 1 CO 2• 1 mole de CO 2 assimilée : 475 KJ (PCI) - énergiemoyenne• 1 mole de photons : 217 KJ - énergie moyenne• Taux maximum de conversion de photonscaptables pour la photosynthèse :475 KJ / (8 x 217 KJ) = 27 %

Absorption de la lumière

Required energy• 45% de la lumière solaire peut être exploitéeRendement maximum :12.3 %

La lumière est, le plus souvent, trop forte

Attenuation lumineuseI/I 00.8 1.6 2.4 3.6 4z (cm)ChlI=I 0 e-k Chl z: [chlorophylle]

Extinction + efficacité photosynthèse

Rendement photosynthétique

Potentiel des microalgues : productivité théoriqueFixedCO2 FixedCO2 Dry weight Dry weight Oil 60% Oil 30% Oil 60% Oil 30%Yield 9.9% 3% 9.9% 3% 9.9% 9.9% 3% 3%Unit g/m2/D g/m2/D g/m2/D g/m2/D T/ha/year T/ha/year T/ha/year T/ha/yearAlmeria 198.7 60.2 108.6 32.9 237.8 118.9 72.1 36.0Amsterdam 108.9 33.0 59.5 18.0 130.4 65.2 39.5 19.8Atacama 237.7 72.0 129.9 39.4 284.5 142.2 86.2 43.1Honolulu 191.6 58.1 104.7 31.7 229.3 114.7 69.5 34.7Lisbonne 181.9 55.1 99.4 30.1 217.7 108.8 66.0 33.0Madrid 172.9 52.4 94.5 28.6 206.9 103.4 62.7 31.3Negev 197.3 59.8 107.8 32.7 236.2 118.1 71.6 35.8Nice 163.9 49.7 89.5 27.1 196.1 98.1 59.4 29.7Paris 121.6 36.8 66.4 20.1 145.5 72.7 44.1 22.0Perth 216.1 65.5 118.1 35.8 258.6 129.3 78.4 39.2Prague 111.7 33.8 61.0 18.5 133.6 66.8 40.5 20.2Rome 150.4 45.6 82.2 24.9 179.9 90.0 54.5 27.3Sahara 224.7 68.1 122.8 37.2 269.0 134.5 81.5 40.8

Projet ANR Shamashquelques résultats

ShamashProduction de biocarburant par des microalguesANR : Programme National de Recherche sur les Bioénergies (PNRB)Coordinateur O. Bernard (INRIA)8 partenaires France.Budget: 2.87 Millions €0.79 Million financé par l’ANRSoutenu par les pôles de compétitivitéCapEnergies et MerEt par le CG 06Démarrage : décembre 2006Fin: janvier 2011

ShamashUn projet multipartenaire et pluridisciplinaireINRIACoordinationINRIAModélisation & contrôleCEAMécanismes métaboliquesCIRADExtraction lipidesCNRS-LOVMétabolisme lipidesGEPEAPhotobioréacteursIFREMERSélection espècesà potentielM2P2PurificationAlpha BiotechCultures enracewayCIRADCaractéristiques etutilisation carburant

Exploration de la biodiversitéObservation des lipides pour différentes espèces

Recherche de souches à forte productivité7.00note finalepeu importantmoyennement importanttrès important6.005.004.003.002.001.000.00Χηλορελλα ϖυλγαρισΒοτρψοχοχχυσ βραυνιιΝιτζσχηια δισσιπαταΝαϖιχυλα µυραλισΙσοχηρψσισ (Ταηιτιαν)Χηαετοχεροσ µυελλερι∆υναλιελλα σαλιναΠηαεοδαχτψλυµ τριχορνυτυµΠορπηιρψριδιυµ χρυεντυµΣχενεσδεσµυσ οβλιθυυσΑµπηορα σπ.Χψχλοτελλα χρψπτιχαΤηαλασσιοσιρα πσευδοναναΝαννοχηλοροπσισΝιτσχηια χοµµυνισΝαννοχηλορισ σπ.ΑνκιστροδεσµυσΗαντζσχηιαΟχηροµονασ δανιχαΠαριετοχηλορισ ινχισαΣψνεχηοχοχχυσ σπ.Τετρασελµισ απ.Παϖλοϖα λυτηεριΜονοραπηιδιυµ µινυτυµΦραγιλαριαΣκελετονεµαΝεπηροσελµισΝεοχηλορισ ολεοαβυνδανσΝαϖιχυλα πελλιχυλοσαΟδοντελλα αυριταΙσοχηρψσισ αφφ. ΓαλβαναΧηαετοχεροσ γραχιλισΧηλαµψδοµονασ ρηεινηαρδιιΧηλοροχοχχυµΧρψπτοµονασΧψλινδροτηεχα χλοστεριυµ∆υναλιελλα βιοχυλατα∆υναλιελλα πριµολεχταπολψποδοχηρψσισΗετεροχαπσα νιειΝαϖιχυλα ϕεφφρεψιΝαϖιχυλα σαπροπηιλαΝιτσχηια οϖαλισΠαϖλοϖα πινγυισΠροτεοµονασ συλχαταΡηοδοµονασ σαλιναΣχενεδεσµυσ διµορπηυσΣχενεδεσµυσ θυαδριχαυδαΣψνεχηοχχυσ σπ.∆υναλιελλα τερτιολεχταΧηαετοχεροσ χονστριχτυσΠλευροχηρψσισ χαρτεραεEvaluation multicritère des performances de 60 espèces

Sélection-mutationGC3Sélection 3Tri 3Mutation 2UV2GC2Sélection 2UV1Tri 2Mutation 1GC1TriglycéridesSélection 1Tri 1GC0Souche wtCarence en N

Selection –mutation : effet sur Isochrysis affinis galbanaAugmentation de la productivité en TAGTFA (mg.(gC) -1 )5004003002001000WTS1M1 S2M2Souche% Total lipides fatty totaux acids (fg/cell)6000,00100Même taux de croissance[cell] cells.ml -15000,00804000,003000,00 602000,00401000,0010200,0012 x 1068642T-iso UV-trié00 5 10 15 20 25DaysStabilité après 2 ansFirst analysissecond analysis0Nom des souchesWT S1M1 S2M2Total fatty acids Saturated Souche Mono-unsaturated Poly-unsaturatedPhospholipidesGlycolipidesLipides neutres

Compréhension de la dynamique de stockageet de consommation des triglycéridesUtilisation d’un dispositif de cultureautomatisé, pour suivre à haute fréquence ladynamique de cellules dans un environnementfortement contrôlé.

Effet d’une carence en azoteCell/ml1.20E+09Carence en NFin de la carenceen N (ajout de NO 3- )Nµmol/l2001.00E+098.00E+081506.00E+084.00E+082.00E+08Carence en N100500.00E+0027/10 28/10 29/10 30/10 31/10 1/11 2/11 3/11 4/11 5/11 6/11 7/11 8/110

Effet d’une carence en azoteNeutral lipid / C (mg/mg)0.30.20.10.0Carence0-5 0 en N 5 10 15Time (days)Neutral lipids/CarbonProductivity12108642Productivity (mg.L -1 .d -1 )►Forte accumulation de TAG pendant la phase de carence(+ 44 %) et reconsommation après l’ajout d’azote►Mais la productivité (mg neutral lipid.L -1 .D -1 ) n’est stimulée(+15 %) que pendant une periode transitoire

Fluctuations nychtémérales1.40E+091.20E+09Cells / L1.00E+098.00E+086.00E+084.00E+082.00E+080.00E+0018-avr 23-avr 28-avr 3-mai 8-mai 13-mai 18-mai 23-mai6.005.00Diam cell4.003.002.001.000.0018-avr 23-avr 28-avr 3-mai 8-mai 13-mai 18-mai 23-mai8.00E+107.00E+106.00E+105.00E+104.00E+103.00E+102.00E+101.00E+100.00E+00Biovol tot18-avr 23-avr 28-avr 3-mai 8-mai 13-mai 18-mai 23-mai

En condition de croissance optimale, la culture estsynchronisée par le cycle lumineux43Taux de croissanceTaux de divisionµ Cet µ Cell(j -1 )210Fixation de CarboneDivision cellulaire-100.00 13/05 14/05 00.00 00.00 15/05 16/05 00.00tempsHeure

Fluctuations nychtéméralesLpides neutres (U.mg.C -1 )Sucres (mg.mg.C -1 )0,90,80,70,60,50,40,30,200.00 00.00 00.00 00.000,80,70,60,50,40,30,200.00 00.00 00.00 00.00Heure de la journée- 26 % du carboneaccumulé le jour estrespiré pendant la nuit- 76 % du carbone deréserve accumulé le jourest respiré pendant la nuit

0.3Lipid class/Carbon(mg/mg)0.20.1Fluctuations nychtéméralesNeutral lipid/CarbonPhospholipid/CarbonGlycolipid/Carbon-2 -1PAR µE.m.s600400200Light intensity(µMquanta.m 2 .s -1)0.06:00 18:00 6:00Time0Teneurs en phospholipides et en glycolipides non affectés par les cycles J/N.

Modélisation de la productionlipidesInnovalg

Développement de modèles numériquesLipides(l)CO 2Sucres(g)Carbonefonctionnel (f)Mairet et al. Modelling neutral lipid production by themicroalga Isochrysis affinis galbana under nitrogenlimitation. Bioresource Technology, 2010.47

Simulations vs données expérimentales

Analyse du modèleBatch steady statehChemostat steady state ( ):H(q n ) = a + b q nQ q0Q m

Expérience 1Validation experimentale :séquences de taux de dilution• Dernière étape : D=0.2• Faible teneur finale en TAGq l , lipid (gC.gC -1 )Expérience 2• Idem, mais•dernière étape D=0• Valeur finale de TAG élevéeq l , lipid (gC.gC -1 )q n , internal N quota (gN.gC -1 )q n , internal N quota (gN.gC -1 )

Développement de modèles numériquesInnovalgSimulation numérique = Prédiction des productivités …un gain de temps significatif dans les développements

InnovalgProduction pilote

Valider les résulats obtenus• Production industrielle chez Alpha Biotech

Alpha Biotech : Système de productiondes inoculumDoubles Colonnes60 lRaceways sous serre3500 lBallon 20 l

Alpha Biotech : raceway extérieur pour laproduction de microalgues marines

Alpha Biotech : RésultatsLipides totaux(% massesèche)Lipides Neutres(% matièreséche)Perte matièresèche (résultatsM2P2)Lipides neutreslipides totauxMicroalgue marine 46% 33% 29% 72%Acides graslibresTAG Stérols PigmentsHuile extraite au CO2 Sc 2% 92% 3% 3%

Alpha Biotech : Résultats• Productivité– En biomasse totale : 3 g/j/m² en moyenne– 35 à 50% de lipides totaux– 25 à 36% de lipides neutres– Équivalent : 2000 litres d’huile /hectare /anAcidesGrassaturés monoinsaturéspolyinsaturésObjectifs 30% 50% 20%C14-C22 30-48% 33-50% 30-10%

InnovalgAnalyse du cycle de vie

de production de biodiesel microalgal

Bilan énergétiqueL. Lardon, etal. Environ.Sci. Technol.(2009).•Il faut réaliser l’extraction à partir d’une biomasse humide• Carence en azote nécessaire

Résultats de l’ACV ( Recipe End Point)9.08.52.01.51.00.5µalguesColzaPalmeSojaPétrole0.0SantéhumaineEcosystèmesRessources☹ ☺ Impact fort de l’electricité et des engrais

Contribution des processus (Recipe Midpoint)100%75%50%25%CombustionHeatElectricityEmissionsInputFertilizerInfrastructure0% 0%Impact fort de l’électricité et des engrais

Couplage avec la digestionanaérobieInnovalg

Retour au milieu naturelCO 2 CH 4+ CO 2CO 2O 2O 2CO 2O 2CO 2SédimentationC orgN, PMicroalguesBacteries aerobiesBacteries anaerobiesMinéralisationHydrolyse/AcidogeneseMéthanisationUne grande partie de l’azote et du phosphore est recyclée par« la boucle microbienne »

Projet ANR SYMBIOSE(2009-2012)Etude et Optimisation du Couplage Microalgues-Bactéries Anaérobies pour laProduction d’Energie par Voie Biologique à partir de Biomasse Primaire et deDéchets OrganiquesCO 2 CH 4

Couplage digestion anaérobieCO 2(effluents gazeux)BiogazDéchetsorganiquesMéthanisationEléments nutritifsNH 4+ , PO 4- , …Culture demicroalgues3CH 4Résidus de biomasse algaleaprès extractionExtraction(Huiles, sucres, …)

Couplage microalgues/DA : Algotron

Couplage microalgues – digestion anaérobie►La phase liquide d’un digestat constitue un milieu de culturede choix pour les espèces étudiées ()►La connaissance des symbiontes bactériens se révèle êtreun enjeu dans la culture des microalgues►Nouveau modèle de production énergétique durable

InnovalgConclusions

Conclusion : les grands défis• Rechercher des espèces à forte productivité en lipides,faciles à récolter• Améliorer les performances de souches « naturelles »• Pérenniser les cultures face à la biodiversité naturelle

Conclusion : les grands défis• Développer des modèles numériques capablesd’expliquer les productivités observées• Evaluer et réduire l’impact environnemental(démarche d’écoconception)• En même temps: produire du biodiesel, fixer du CO 2, traiter des résidus et récupérer des composés àhaute valeur ajoutée• Faire baisser les coûts

L’Institut d'Excellencepour les Energies Décarbonées (IEED)GREENSTARS

10 années derecherchesnécessaires pourfaire baisser lescoûtsConclusion