TABLE DES MATIERES RÉSUMÉ

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2 TABLE DES MATIERES RÉSUMÉ 1 AVANT-PROPOS 2 LE TOPINAMBOUR (HELIANTHUS TUBEROSUS L.) 3 Origine 3 Usages 3 Caractéristiques 3 Cycle végétatif 5 Variétés 6 CONDITIONS DE CULTURE 8 Climat 8 Sols 8 TECHNIQUES DE CULTURE 8 Plantation 8 Fertilisation 9 Désherbage 11 Arrosage 11 Prévention et contrôle des maladies 11 Récolte 12 Repousse et rotation de culture 13 Stockage et conservation des tubercules 13 COMPOSITION ET PRODUCTIVITÉ DES TUBERCULES 14 Composition 14 Productivités 16 POTENTIEL ET PRODUCTIVITÉ EN ÉTHANOL DES TUBERCULES 19 PRODUCTION D ÉTHANOL SUR TUBERCULES DE TOPINAMBOUR 21 Historique 21 Principales étapes de la bioconversion en éthanol 21 PRÉPARATION DES TUBERCULES 24 Lavage et épierrage 24 Cuisson 24 Fragmentation 26 PRÉTRAITEMENTS PHYSIQUES 27 Extraction des jus par pressage et par macération 27 Extraction des jus par diffusion 27 PRÉTRAITEMENTS THERMIQUES, CHIMIQUES ET ENZYMATIQUES 29 Hydrolyse thermique 29 Hydrolyse acide 30 Hydrolyse enzymatique 32 Hydrolyse par l inulinase native de tubercule 32 Hydrolyse par l inulinase de microorganismes 32 FERMENTATION 34 Substrats de fermentation 34 Types de fermentation 35 Procédés de fermentation industrielle 36 Procédé batch classique (Schéma 4) 36

3 Procédé continu (Schéma 5) 37 Procédé cascade (Schéma 6) 38 EXTRACTION DE L ÉTHANOL 40 FILIÈRES DE BIOCONVERSION DES TUBERCULES EN ÉTHANOL 41 BILAN DES RECHERCHES SUR LA BIOCONVERSION DES TUBERCULES 43 Analyse de l état des recherches 43 Conclusions issues de l analyse des résultats des recherches 52 PROCÉDÉS POTENTIELS DE PRODUCTION D ÉTHANOL SUR TOPINAMBOUR 53 Procédés potentiels pour unités de production jusqu à 10 ML/an 53 Procédés potentiels pour unités de production au-delà de 10 ML/an 55 BILAN ÉNERGÉTIQUE ET COÛT DU BIOÉTHANOL DE TOPINAMBOUR 60 Bilan énergétique 60 Coûts de production 62 RECOMMANDATIONS 68 Recommandations pour la culture industrielle de la plante 68 Implantation géographique des cultures 68 Sol 68 Cultivars 69 Plantation 69 Fertilisation 70 Désherbage 70 Arrosage 70 Prévention et contrôle des maladies 70 Récolte 71 Repousse et rotation de culture 72 Stockage et conservation des tubercules 73 Recommandations pour la bioconversion des tubercules en éthanol 74 Préparation des tubercules 74 Choix du procédé de production du bioéthanol 74 Au niveau de la filière de bioconversion 74 Au niveau des prétraitements 75 Au niveau de l hydrolyse 77 Au niveau de la fermentation 77 Au niveau de l extraction de l éthanol 78 PERSPECTIVES 79 RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES 85 LISTE DES SYMBOLES 94 GLOSSAIRE 95 ANNEXE I 98 ANNEXE II 109 ANNEXE III 104

4 LISTE DES FIGURES Figure 01 Composition des tubercules de topinambour 16 Figure 02 Filières de bioconversion en éthanol des 23 tubercules de topinambour Figure 03 Cinétiques d hydrolyse du jus de topinambour 34 par l inulinase extracellulaire de K. fragilis 351 Figure 04 Procédés de fermentation des jus ou de pâtes 35 de topinambour selon le mode opératoire du bioréacteur Figure 05 Filières de bioconversion des jus de tubercules en éthanol 42 Figure 06 Filières de bioconversion des pâtes de tubercules en éthanol 42 Figure 07 Bioconversion en éthanol des pâtes de tubercules 56 Figure 08 Bilan du procédé de fermentation batch directe 58 du jus de tubercule Figure 09 Diagramme de flux : production du bioéthanol sur 79 jus de topinambour LISTE DES PHOTOS Photo 01 Jeune plante de topinambour 4 Photo 02 Plante adulte de topinambour 4 Photo 03 Fleurs de topinambour 4 Photo 04 Tubercules, stolons et tiges 4 Photo 05 Diverses formes de tubercules 5 Photo 06 Groupement des tubercules 5 Photo 07 Tubercules blancs (précoces) 6 Photo 08 Tubercules rouges (tardifs) 6 Photo 09 Tambour de lavage 24 Photo 10 Epierreuse 24 Photo 11 Cossettes de betterave 27 Photo 12 Coupe-racines 27 Photo 13 Exraction des jus de betterave 28 Photo 14 Diffuseur horzontal à contre-courant 28 Photo 15 Colonne de stripping 40 Photo 16 Hydrolyseur continu plug-flow 77 LISTE DES SCHÉMAS Schéma 01 Cuiseur Henze 25 Schéma 02 Mash Tube ou Hydrolyseur 25 Schéma 03 Disperseur ULTRA-TURRAX 26

5 Schéma 04 Fermentation batch multiréacteurs en parallèle 37 Schéma 05 Fermentation continue multi-réacteurs 37 en parralèle (filière HFS ou SFS) Schéma 06 Fermentation cascade 38 Schéma 07 Fermentation continue avec recyclage 39 de la biomasse par décantation Schéma 08 Distillation et déshydratation azéotrope ternaire 40 Schéma 09 Procédé GLS pour le prétraitement de la pomme de terre 54 Schéma 10 Principe du Dispersing Mash Process (BMP) 55 Schéma 11 Production continue du bioéthanol 57 sur jus sucré fermentescible Schéma 12 Principe du procédé Biostil appliqué sur jus concentré 59 Schéma 13 Principe du procédé Jaakko Pöyry Group 59 sur jus de betterave Schéma 14 Évaporateur pour la concentration des jus dilués 76 LISTE DES TABLEAUX Tableau 01 Caractéristiques morphologiques des 6 variétés précoces et tardives Tableau 02 Principales variétés tardives de 7 topinambour les plus productives Tableau 03 Variétés de topinambour testées en Suisse romande 7 Tableau 04 Paramètres de plantation du topinambour 9 à usage industriel Tableau 05 Fertilisants N, P et K appliqués, exprimés en unité/ha 10 Tableau 06 Composition moyenne des tubercules de topinambour 15 Tableau 07 Productivités des tubercules de topinambour 17 dans différents pays Tableau 08 Productivités des tubercules en Allemagne 18 Tableau 09 Productivités des tubercules en Suisse 18 Tableau 10 Rendements théoriques et techniques en éthanol 20 de diverses variétés de tubercules de topinambour Tableau 11 Hydrolyse avec H 2 SO 4 dilué 31 Tableau 12 Levures utilisées en fermentation directe 46 des jus de topinambour. Tableau 13 Comparaison de quelques systèmes 47 de fermentation du jus de topinambour Tableau 14 Fermentation batch directe des jus de topinambour en 48 bioréacteur CSTR par des cellules libres de Kluyveromyces sp Tableau 15 Fermentation continue directe du jus de topinambour en 48 bioréacteur CSTR par cellules libres de K. marxianus Tableau 16 Fermentation directe des pâtes et des jus 49 de tubercules congelés

6 Tableau 17 Fermentation batch par Z. mobilis du jus 50 de topinambour hydrolysé Tableau 18 Fermentation continue des pulpes hydrolysées 50 de de topinambour en CSTR par cellules libres de S.cerevisiae 170 Tableau 19 Saccharification et fermentation simultanée 51 batch des tubercules Tableau 20 Comparaison des cultures énergétiques en Belgique 61 Tableau 21 Bilan énergétique sur tubercules de topinambour (Espagne) 62 Tableau 22 Bilan énergétique sur jus de topinambour (Canada) 62 Tableau 23 Bilan énergétique sur betterave sucrière (Allemagne) 63 Tableau 24 Coûts de production de l éthanol dans le contexte danois 63 Tableau 25 Coûts de production de l éthanol sur tubercule de 64 topinambour dans les unités agricoles de faible capacité Tableau 26 Coûts de production de l éthanol dans le contexte italien 65 Tableau 27 Coût de la production d éthanol dans le contexte espagnol 66 Tableau 28 Coûts de production actualisés du bioéthanol sur topinambour 67 Tableau 29 Performance des étapes de bioconversion sur la filière HFS 79 Tableau 30 Productivités et rendements moyens attendus en Suisse 80 sur tubercules de topinambour, destinés à la production du bioéthanol par la filière HFS acide Tableau 31 Rendements moyens en bioéthanol de 80 quelques cultures énergétiques Tableau 32 Composition des résidus de distillation 82 des tubercules cuits fermentés Tableau 33 Composition des résidus de distillation des pâtes fermentées 82

7 TOPINAMBOUR Résumé Une revue exhaustive de la littérature scientifique et technique des 100 dernières années, complétée par des informations recueillies sur Internet ainsi qu auprès des milieux agricoles et industriels européens, a permis d évaluer l état actuel des connaissances sur les modalités de culture et de bioconversion en éthanol des tubercules de topinambour. Le rapport présente en détail toutes les étapes de la phase agricole de la culture industrielle du topinambour et analyse, sous ses aspects biologiques, technologiques et économiques, l ensemble des filières de bioconversion potentiellement envisageables pour la production d éthanol carburant à base de tubercules de topinambour. L évaluation de la phase agricole dans le contexte pédoclimatique suisse conclut à une productivité moyenne en tubercules frais de 40 t/ha et à un potentiel de bioéthanol effectif de 3200 L/ha, régulièrement accessibles sur des sols relativement pauvres et impropres à la culture de la betterave sucrière. Au regard des technologies disponibles, seule la filière de l hydrolyse acide et fermentation séparées (HFS) des pâtes cuites ou des jus extraits des tubercules par diffusion paraît économiquement supportable à l heure actuelle pour la production du bioéthanol à grande échelle. Le jus de diffusion concentré par évaporation sous vide partiel constitue le substrat de bioconversion préférentiel, son transport, sa conservation et son intégration en sucrerie, en amidonnerie ou dans une usine de transformation multifonctionnelle posant le moins de problèmes. Tenant compte des résultats de la recherche scientifique et de l expérience acquise au niveau d essais pilotes et industriels, des recommandations sont formulées pour l implantation de la culture énergétique du topinambour dans le contexte helvétique ainsi que pour le développement à court terme d un procédé de production de bioéthanol à grande échelle. Dans cette optique, le procédé de production qui est préconisé ne fait appel qu à des technologies de prétraitements, d hydrolyse et de fermentation déjà solidement éprouvées à l échelle industrielle. Le rapport identifie les technologies émergentes qui devront se substituer à terme aux technologies actuelles avec de meilleures performances. Il indique également les points où des efforts de recherche, de travaux et d études complémentaires seraient nécessaires pour l optimalisation économique et technologique de la production du bioéthanol à base de topinambour. Considérant les gains en performances et de réduction de coûts issus de ces optimalisations, la perspective de produire de l éthanol carburant à 1.10 CHF hors taxes le litre sur jus de tubercule de topinambour apparaît comme réaliste dans le contexte helvétique et probablement atteignable à très court terme si une volonté politique existe à cet égard.