BIOMASSE : RELEVER LE DÉFI DES BIOTECHNOLOGIES

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1 BIOMASSE : RELEVER LE DÉFI DES BIOTECHNOLOGIES

2 UNE RECHERCHE AMBITIEUSE POUR UNE ÉNERGIE DURABLE

3 Total est engagé dans le développement de nouvelles énergies, moins émettrices de gaz à effet de serre, qui viendront compléter notre offre en hydrocarbures pour répondre à la croissance de la demande énergétique mondiale. Représentant environ 10 % (1) de la consommation mondiale en énergie, la biomasse est aujourd hui majoritairement utilisée pour se chauffer ou cuisiner. Elle représente la seule alternative renouvelable aux ressources fossiles pour fournir des carburants liquides pour le transport (biodiesel, bioéthanol, biokérosène), des lubrifiants et des molécules de base pour la chimie (solvants ou polymères). Avec l énergie solaire, la biomasse constitue un axe de développement stratégique pour Total dans les énergies nouvelles. Le Groupe a ainsi lancé plusieurs programmes de recherche ambitieux et conclu des partenariats industriels innovants afin d identifier, tester et industrialiser les voies de transformation de la biomasse les plus prometteuses en termes sociétal, environnemental et économique. Pour Total, la conversion de la biomasse à grande échelle est un défi industriel et technologique qui doit impérativement concilier : performances techniques : différenciation technologique, compatibilité avec les équipements et les processus industriels existants, performances environnementales : réduction des émissions de gaz à effet de serre, lutte contre la déforestation et l érosion des sols, respect des environnements naturels et du cycle de l eau, acceptabilité sociétale : compatibilité avec l alimentation des populations, participation au développement économique et social des communautés locales où le Groupe est implanté, rentabilité économique. ABONDANTE, RENOUVELABLE, STOCKABLE LA BIOMASSE EST UNE DES SOLUTIONS DURABLES À LA CROISSANCE DES BESOINS ÉNERGÉTIQUES DE LA PLANÈTE. TOTAL S Y ENGAGE PLEINEMENT GRÂCE À DES PARTENARIATS INDUSTRIELS ET DES PROGRAMMES DE RECHERCHE AMBITIEUX. Biologie, génétique, chimie, agronomie la recherche sur la biomasse mobilise un large spectre de compétences techniques et scientifiques. Via une stratégie de recherche dite en open innovation, Total a noué de nombreux partenariats internationaux avec des laboratoires universitaires ou privés, et pris des participations dans des start-up innovantes. (1) AIE, World Energy Outlook

4 IDENTIFIER LES VOIES DE TRANSFORMATION DÉVELOPPER UNE GAMME DE PRODUITS CO 2 PHOTOSYNTHÈSE Betteraves à sucre SUCRES ET AMIDON DES PLANTES VOIE BIOCHIMIQUE (pages 8-9) EXTRACTION Cannes à sucre Céréales SUCRES Bois LIGNOCELLULOSE Résidus agricoles (paille, bagasse, tiges de maïs) Plantes énergétiques (miscanthus) DÉCONSTRUCTION - JBEI(1), Futurol(2) VOIE DES PHOTOTROPHES (pages 10-11) MICROALGUES Microalgues SÉLECTION ET GÉNÉTIQUE - CEA (1) Joint BioEnergy Institute, États-Unis. (2) Partenariat entre Agro industrie Recherches et Développements, Champagne Céréales, Confédération Générale des Planteurs de Betteraves, Crédit Agricole du Nord-Est, IFP Énergies Nouvelles, Inra, Lesaffre, Office National des Forêts, Tereos, Total et Unigrains. (3) Joint venture Galactic/Total. 2

5 LES PLUS PERFORMANTES, POUR LE TRANSPORT ET LA CHIMIE TOTAL MÈNE DES PROJETS DE RECHERCHES AFIN DE MAÎTRISER LES TECHNOLOGIES NÉCESSAIRES AU DÉVELOPPEMENT DE LA FILIÈRE. Transformation en produits dérivés Amyris, Futurol (2) MOLÉCULES D INTÉRÊT BIOETHANOL FERMENTATION AVEC MICRO-ORGANISMES MODIFIÉS GÉNÉTIQUEMENT Gevo ISOBUTANOL ADDITIF ESSENCE Amyris FARNÉSÈNE BIOJET ACIDE LACTIQUE BIODIESEL Futerro (3) LUBRIFIANTS CULTURE EN BIORÉACTEUR - AlgaePARC HUILES PLASTIQUES 3

6 AMYRIS : UNE PLATEFORME BIOTECHNOLOGIQUE DE POINTE Créée en 2003, Amyris développe une technologie innovante de transformation du sucre en molécules de base pour les carburants et la chimie. Présente sur l ensemble de la chaîne des biotechnologies, Amyris dispose de laboratoires de recherche et d une usine de production. Depuis juin 2010, Total est l actionnaire industriel de référence de cette société californienne avec une participation d environ 18% à fin Total et Amyris mobilisent leurs équipes dans des programmes de recherche communs dont l objectif principal est de développer et de commercialiser de nouvelles molécules permettant la production de biocarburants et de produits pour la chimie verte. LABORATOIRE AMYRIS, EMERYVILLE, CALIFORNIE, ÉTATS-UNIS. 4

7 La technologie d Amyris repose aujourd hui sur l utilisation des sucres issus de l amidon ou de plantes sucrières, comme la canne à sucre produite au Brésil. À terme, elle pourra transformer les sucres extraits des parties non alimentaires des plantes, la lignocellulose (voir page 8), par fermentation. Plus précisément, Amyris dispose d une plateforme de biologie synthétique de pointe permettant de construire et sélectionner, de façon rapide et peu coûteuse, des micro-organismes notamment des levures aptes à transformer du sucre en diverses molécules d intérêt. Amyris possède des laboratoires de recherche et une unité pilote en Californie ainsi qu un site de démonstration et une usine de production au Brésil. La production de sa molécule phare, le farnésène (voir page 6), a démarré début 2013 dans l usine de Brotas, au Brésil. L EXPERTISE D AMYRIS : LA SÉLECTION ET L OPTIMISATION D UNE LEVURE PAR BIOLOGIE SYNTHÉTIQUE 1 Étude de l'adn Identifier la meilleure voie biologique 2 permettant de produire la molécule cible Biologie moléculaire Construction d'une multitude de souches intégrant cette voie biologique 3 Criblage Test des souches les plus performantes pour produire la molécule cible L objectif du chercheur est d obtenir un micro-organisme (une levure ou une bactérie) stable produisant la molécule d intérêt pour la chimie. Pour ce faire, il doit acquérir une parfaite connaissance des voies métaboliques cellulaires de façon à pouvoir reprogrammer le microorganisme et ainsi optimiser la production de la molécule cible (voir schéma ci-dessus). 5

8 DU FARNÉSÈNE AU FARNÉSANE Le farnésène est la molécule phare d Amyris servant à une très large gamme d applications, allant des cosmétiques aux biocarburants. Une fois hydrogénée, la molécule de farnésène devient du farnésane qui peut ainsi être directement incorporé dans le diesel ou dans les carburants pour l aviation sans modification technique des moteurs. Le farnésane offre de meilleures propriétés que les esters d huiles végétales qui représentent aujourd hui l essentiel du marché du biodiesel, en particulier une meilleure résistance au froid et la capacité à être incorporé dans le diesel conventionnel en proportion plus importante. BUS DE LA RÉGIE DE TRANSPORT DE SÃO PAULO, BRÉSIL, ROULANT AU BIODIESEL AMYRIS. Les biodiesels Les biodiesels commercialisés actuellement sont principalement des esters d huiles végétales dont les propriétés diffèrent du diesel conventionnel limitant ainsi leur incorporation à 7 % en volume dans le carburant fi nal. L objectif de Total est de proposer des biodiesels permettant de dépasser les taux d incorporation actuels. Au Brésil, Amyris a lancé des tests portant sur l utilisation à grande échelle du farnésane : depuis septembre 2011, la filiale commerciale d Amyris alimente la régie de transport de São Paulo avec un biocarburant incorporant 10 % de farnésane. L ÉQUIPE TOTAL-AMYRIS ROULE AU BIODIESEL À l occasion du 13 e Rallye Monte-Carlo des Énergies Nouvelles, en mars 2012, Total et Amyris ont démontré dans les conditions réelles de la compétition automobile, sur route et avec une voiture hybride de série, les qualités de leur biodiesel constitué de 45 % de farnésane issu de la transformation de plantes sucrières. 6

9 6 % environ (contre 2 % aujourd hui) Part des biocarburants dans l énergie des transports à horizon 2035 dans le monde (1) (1) AIE, World Energy Outlook % La directive européenne 2009/28/CE fi x e ce taux objectif d incorporation d énergie renouvelable, essentiellement des biocarburants, dans le transport d ici Ce taux est aujourd hui de 4,5 % en Europe (2). (2) d après EurObserv ER, NOUVELLE USINE AMYRIS DE FERMENTATION DE SUCRE DE CANNE À BROTAS, BRÉSIL. Les biocarburants pour l aviation Avec plus de 10 millions de tonnes de carburants pour l aviation vendus en 2011, Total est un des plus gros fournisseurs au monde. Le Groupe cherche des solutions pour répondre à la croissance de la demande des transporteurs aériens tout en limitant les émissions de CO 2. Le secteur du transport aérien s est en effet engagé à réduire de moitié ses émissions de gaz à effet de serre d ici à 2050 (par rapport à 2005). Total et Amyris ont spécifi quement développé un nouveau biokérosène incorporant jusqu à 10% de farnésane et répondant aux critères rigoureux des carburants standards Jet A/A-1 établis par l ASTM, organisme américain pour les normes et spécifi cations des matériaux. Obtenue en juin 2014, cette certifi cation va permettre d envisager la commercialisation de ce biokérosène et son utilisation, en toute compatibilité avec les moteurs et systèmes, dans l aviation civile. L utilisation du farnésane peut permettre une réduction significative des émissions de gaz à effet de serre. VOL DE DÉMONSTRATION AU BIOJET Première en Europe! Le 20 juin 2013, à l occasion du Salon du Bourget, Total et Amyris ont alimenté un Airbus A321 en kérosène renouvelable composé de 10% de farnésane. Ce vol de démonstration entre Toulouse et Paris est le fruit de l initiative «Joining our Energies - Biofuel Initiative France» regroupant Airbus, Air France, Safran et Total. 7

10 VOIE BIOCHIMIQUE : VALORISER L ÉNERGIE DES SUCRES La voie biochimique emploie des micro-organismes (levures ou bactéries) pour transformer la biomasse par fermentation en diverses molécules utilisables pour les carburants et la chimie. Un des objectifs de la recherche est le développement de micro-organismes génétiquement modifiés pour produire de nouvelles molécules puis les optimiser pour obtenir des souches industrielles efficaces et robustes. En complément des travaux menés avec Amyris, Total étudie d autres voies biochimiques, en particulier pour transformer la partie non alimentaire de la plante (lignocellulose) en sucres. Ces efforts sont portés par les équipes de Recherche et Développement en biotechnologie de Total, en partenariat avec des start-up et des laboratoires européens et américains. Gevo : Total a pris une participation dans la start-up américaine Gevo qui développe un procédé de transformation des sucres en isobutanol, pour des usages en carburants ou en pétrochimie. La première unité commerciale a été mise en service en mai 2012 à Luverne (Minnesota, États-Unis). Total s intéresse également aux micro-organismes capables de convertir des gaz contenant du monoxyde de carbone comme ceux produits par l industrie métallurgique, les raffi neries ou ceux provenant de la gazéifi cation des déchets agricoles, des déchets municipaux, ou du charbon en molécules pour les carburants ou la chimie. 8

11 Futerro : Futerro est une joint-venture créée en 2007 par la société belge Galactic et Total (50/50) qui permet de produire des bioplastiques à partir d acide lactique. Futerro est en mesure de fabriquer une gamme complète de produits destinés au marché de l emballage, en particulier à usage alimentaire, et qui peuvent trouver des applications telles que les fi bres pour l habillement ou les coques de téléphones portables. Toulouse White Biotechnology (TWB) : Total est l un des partenaires industriels du projet TWB lancé par l INRA début L objectif est de développer de nouvelles voies de production durable de produits chimiques, de biocarburants, et de biomatériaux grâce à la biocatalyse (enzymes) ou la fermentation (microorganismes) de ressources renouvelables. EXTRAIRE LES SUCRES DE LA LIGNOCELLULOSE DES PLANTES Culture Cellules de la plante Paroi primaire de la cellule végétale Hémicellulose Cellulose Lignine Molécules de sucre L approvisionnement en matières premières constitue un enjeu majeur des procédés de transformation biochimique de la biomasse. Dans une démarche durable, Total mène des recherches actives dans la valorisation de la lignocellulose, c est-à-dire la fraction non-alimentaire des plantes. Molécule extrêmement résistante, la lignine, véritable barrière de protection, est un élément fibrillaire structurant les végétaux. Elle doit être «cassée» par des procédés coûteux notamment en énergie pour permettre l hydrolyse de la cellulose et de l hémicellulose libérant ainsi les sucres (glucose, xylose...). Ces sucres, une fois extraits, peuvent notamment être fermentés en molécules type farnésène (voir Amyris page 6) ou en bioéthanol. Joint BioEnergy Institute : Total est un partenaire stratégique majeur du Joint BioEnergy Institute du professeur Jay Keasling. Cet institut de biologie synthétique de pointe a été fondé par le DOE (Département de l Énergie des États-Unis) dans le but d accélérer les recherches visant à produire des biocarburants à partir de la lignocellulose. Futurol : Total est présent au comité scientifi que de Futurol et apporte son expertise industrielle dans le domaine de l incorporation de biocomposants dans les carburants existants. Futurol a pour objectif de produire, d ici 2016, du bioéthanol à partir de la lignocellulose. Un pilote industriel a été lancé en 2011 près de Reims. Total et le JBEI collaborent autour de trois programmes de recherche majeurs : la valorisation de la biomasse, le développement de nouvelles voies synthétiques pour produire des molécules pour nos activités de chimie et enfin l augmentation de la tolérance des micro-organismes vis-à-vis des molécules produites. 9

12 VOIE DES PHOTOTROPHES : DES MICROALGUES AUX MOLÉCULES D INTÉRÊT Les micro-organismes dits phototrophes, comme les microalgues, sont capables de produire directement des molécules d intérêt pour les carburants et la chimie grâce à la photosynthèse qui utilise la lumière solaire comme source d énergie, et le CO 2 comme source de carbone. Les microalgues pourraient être cultivées sur des terres non arables, et ainsi ne pas interférer avec les cultures alimentaires. Les rendements à l hectare de ces cultures pourraient être bien supérieurs à ceux des plantes terrestres actuellement utilisées pour la production des biodiesels. Autant d atouts que Total s emploie à valoriser dans un programme de recherche exploratoire visant à sélectionner les espèces les plus performantes, optimiser leur biologie par ingénierie génétique et maîtriser les processus d industrialisation en étudiant notamment les procédés de traitement et d extraction des molécules et les impacts environnementaux associés. Les applications potentielles sont nombreuses et pourraient, à terme, concerner tous les métiers du Groupe : biocarburants, lubrifi ants, molécules chimiques Total s associe à différents projets de recherche afi n d évaluer la faisabilité sur le long terme de ces technologies. 10

13 O 2 Photons CO2 Fixation du dioxyde de carbone LES MICROALGUES, VÉRITABLES USINES, PRODUISENT DIRECTEMENT DES LIPIDES POUVANT ÊTRE TRANSFORMÉS EN CARBURANTS OU LUBRIFIANTS BIOJET BIODIESEL Photosynthèse LIPIDES HUILES Eau (H2O) SUCRES PROTÉINES LUBRIFIANTS Nutriments (sels minéraux : fer, azote, phosphate ) UNE CELLULE DE MICROALGUE L utilisation des microalgues pour la production de biocarburants pourrait s avérer prometteuse. Ces technologies nécessitent encore des efforts en Recherche et Développement pour produire à grande échelle des molécules utiles pour les carburants et la chimie, avec un bilan économique et énergétique positif. AlgaePARC Dans cette fi lière, Total collabore au projet AlgaeParc (Algae Production And Research Centre) avec l université de Wageningen, aux Pays-Bas. Ce projet vise à concevoir, d ici 2015, un modèle de réacteur et un procédé de culture plus performant d un point de vue technologique, économique et énergétique que les procédés traditionnels, tout en acquérant des connaissances pour industrialiser cette technologie. QIBEBT Total a lancé un programme de recherche avec le Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology en Chine afi n de cribler et d identifi er des enzymes performantes pour la production de biocarburants et de produits pour la chimie verte. Partenariat CEA et CNRS Les équipes de Total et du CEA ont conçu un programme commun de recherche exploratoire sur l optimisation des organismes photosynthétiques unicellulaires (microalgues). Il s agit d améliorer leurs propriétés pour accroître les rendements et abaisser les coûts de production aujourd hui trop élevés. Les recherches, impliquant des chercheurs du CEA, du CNRS et de Total, sont menées au Laboratoire de Physiologie Cellulaire & Végétale (LPCV) une unité de l Institut de Recherches en Sciences et Technologies (irtsv) au CEA de Grenoble en France. 11

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15 LEXIQUE Biocarburant : combustible liquide ou gazeux utilisé pour le transport et produit à partir de la biomasse (Directive 2009/28/CE). Biochimie : étude des réactions chimiques au sein du vivant. Biodiesel (ou biogazole) : biocarburant pour moteur diesel souvent issu de la transformation d huiles végétales, de sucres ou de gaz de synthèse. Bioéthanol : biocarburant miscible dans l essence principalement produit à partir de la fermentation et de la distillation des sucres issus de la biomasse (plantes sucrières ou lignocellulose). Biojet ou biokérosène : biocarburant destiné à l aviation. Biomasse : fraction biodégradable des produits, des déchets et des résidus d origine biologique provenant de l agriculture (y compris les substances végétales et animales), de la sylviculture et des industries connexes, y compris la pêche et l aquaculture, qui par transformation chimique peuvent devenir des molécules d intérêt (molécules carbonées) pour la production de carburants et de chimie de spécialité (Directive 2009/28/CE). Biotechnologie : application de la science et de la technologie à des organismes vivants, de même qu à ses composants, produits et modélisations, pour modifier des matériaux vivants ou non-vivants aux fins de la production de connaissances, de biens et de services (OCDE, Cadre pour les statistiques de biotechnologie 2005). Distillation : procédé de séparation d un mélange liquide par vaporisation. Les substances se vaporisent à températures d ébullition différentes et peuvent ainsi être isolées. Fermentation : réaction biochimique de conversion de l énergie chimique contenue dans une source de carbone (souvent du sucre) en une autre forme d énergie (alcool) par l action de levures ou de bactéries. Hydrolyse : décomposition d une substance par fixation des ions H+ et OH- provenant de la dissociation de l eau. Lignocellulose : la lignocellulose compose la paroi des cellules des végétaux. Dans le secteur des biocarburants, ce terme est utilisé pour désigner le bois et la paille, deux ressources utilisables pour la production de biocarburants. La lignocellulose peut être gazéifiée (conversion thermochimique) ou fractionnée en ses composants élémentaires (sucres issus de la cellulose et lignine) pour les transformer par conversion biochimique. Organisme phototrophe : organisme vivant constituant sa matière organique en puisant son énergie de la lumière par photosynthèse (plantes, microalgues). Photosynthèse : la chlorophylle contenue dans les plantes est capable de capter l énergie lumineuse. Cette énergie sert à fabriquer des molécules de sucres à partir de l eau puisée dans le sol et du gaz carbonique présent dans l atmosphère. Les sucres produits sont ensuite distribués dans toute la plante et de l oxygène est rejeté dans l atmosphère.

16 Rendez-vous sur Energies Nouvelles Total Marketing Services Siège : 24 cours Michelet Paris La Défense cedex - France Téléphone : +33 (0) Capital social : euros RCS Nanterre Conception, réalisation : Studios Menthe&Chocolat. Crédit photos : Photothèque Total. E. Maillard, M. Roussel, F. Laeuffer, Stephan Gladieu, Marco Dufour All rights reserved to Fetranspor, A. Guillaumot/DPPI Media, Amyris, Inc. All Right Reserved, AIRBUS S.A.S. - photo by exm company / P. MASCLET All rights reserved to AZUL Linhas Aéreas, istockphoto, Getty Images (N. Rowe, Imagebroker RF, LWA), X, D.R. Infographies : StudioV2. Imprimé sur Satimat Green, papier composé à 60 % de fi bres recyclées et à 40 % de fi bres vierges certifi ées FSC. Imprimé en France. Septembre 2014.