Conversions biologiques de biomasses

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1 Conversions biologiques de biomasses en biocarburants attelage matériaux,fibres,force motrice cycliste, esclave assiette d'aliments UCL Patrick Gerin Unité de Génie Biologique 3ème Table Ronde Biocarburants - Valbiom - Bois de Villers 10/06/2008

2 GREEN GOLD Biomasses cellulose lignine amidon sucres protéines lipides... prétraitements -thermiques -mécaniques -chimiques -enzymatiques BIOCONVERSION fermentation -récupération -concentration -purification -conversions chimiques Biocarburants - éthanol - butanol - méthane - hydrogène - acétate-butyrate?

3 Ethanol: liquide, de la 1 ère àla 2 ème génération biomasses sucrées amidon lignocellulose hydrolyse sucres C 6 H 12 O 6 xylose (C5) levures ou bactéries levures ou bactéries modifiées éthanol aqueux distillation 2 CO H 3 C-CH 2 OH. éthanol 95% 100%-ETBE... théorie: 1 kg sucre 0.51 kg éthanol pratique: 1 kg sucre 0.48 kg éthanol + levures + pertes Intérêt : - [éthanol] aqueux = jusque 100 g éthanol /L (si [sucre] suffisante) - carburant prouvé depuis le début du 20 ème siècle Limitations: - besoin de sucres spécifiques - hydrolyse lignocellulose - contamination microbienne "asepsie" - éthanol aqueux récupération de l'éthanol

4 Ethanol: liquide, une autre 2 ème génération lignocellulose sèche gazéification CO+ H 2 catalyse microorganismes hydrocarbures, méthanol,... éthanol aqueux H 3 C-CH 2 OH 2 CO + 4 H 2 H 3 C-CH 2 OH + H 2 O. distillation éthanol 95% 100%-ETBE... Intérêt: - gazéification "toutes" biomasses lignocellulosiques - gazéification pas d'hydrolyse - fermentations robuste aux goudrons (?) Limitations: - faible solubilité aqueuse de CO et H 2 - éthanol aqueux dilué récupération de l'éthanol

5 Butanol: liquide, à redécouvrir? (1) sucres amidon Clostridium sp. C 6 H 12 O 6 1. acidogenèse H 3 C-CH 2 -CH 2 -COOH (acide butyrique) + 2 CO H 2 +2H2O 2 H 3 C-COOH (acide acétique) + 2 CO H 2 2. solvantogenèse stoechiométrie simplifiée! + H 3 C-COOH (acide acétique) H 3 C-C(=O)-CH 3 (acétone) + H 3 C-CH 2 OH (éthanol) + 3 CO H 2 + H 3 C-CH 2 -CH 2 -COOH H 3 C-CH 2 -CH 2 -CH 2 OH (butanol) (acide butyrique) + H 3 C-C(=O)-CH CO H 2 fermentation mixte: 60-70% butanol % acétone - 0-5% éthanol

6 Butanol: liquide, à redécouvrir? (2) Intérêt: - butanol : bon carburant, peu hygroscopique, bonne miscibilité aux carburants actuels - potentiellement: diversité de substrats Limitations: - besoin de sucres - [sucre] suffisante nécessaire, sinon acidogenèse sans solvantogenèse - contaminations microbiennes (phages)=> "asepsie" - inhibition par les produits de fermentation - faible productivité (<0.5 kg solvant /m 3 /h) - faible conversion (0.3 kg solvant /kg sucre ) - solvant dilué 5-20 g solvant /L eau distillation

7 Méthane: gaz, "facile" à obtenir (1) biomasse complexe (non lignifiée): biopolymères protéines, polysaccharides, lipides... hydrolyse microbienne matière organique hydrolysée: monomères acides aminés, monosaccharides, acides gras, glycérol)... communauté microbienne complexe 2H 2 + CO 2 H 3 C-COOH acide acétique acidogenèse acéto - genèse éthanol acide propionique C3 acide butyrique C4...C5, C6 acide lactique hydrogénotrophe méthanogenèse acétoclaste fermentation acidogène fermentation méthanigène 2H 2 O + CH 4 CH 4 + CO 2

8 Méthane: gaz "facile" à obtenir (2) Intérêt: - communauté microbienne "autostable" - substrats complexes et de faible valeur - hydrolyse microbienne autonome - séparation spontanée méthane/eau - bon rendement de conversion Limitations: - carburant gazeux - purification nécessaire pour applications mobiles

9 Hydrogène: gaz pour quel avenir? Photo-production algues+lumière 2 H 2 O O H 2 Fermentation µ.o. C 6 H 12 O H 2 O H 3 C-CH 2 -CH 2 -COOH + 2 CO H 2 (acide butyrique) µ.o. C 6 H 12 O H 2 O 2 H 3 C-COOH + 2 CO H 2 (acide acétique) Photo-fermentation µ.o.+lumière 2 H 3 C-COOH + 4 H 2 O 4 CO H 2 Intérêt: C 6 H 12 O H 2 O 6 CO H 2 - compatibilité directe avec les piles à combustible actuelles - séparation spontanée hydrogène/eau Limitations: - faible rendement de conversion actuel (2-3 H 2 / glucose) - inhibitions métaboliques - perte de valeur

10 Biocarburants automobiles: à transporter! Densité énergétique carburant Densité énergétique carburant + réservoir Energie de "conditionnement" du carburant massique MJ/kg volumique (1atm,0 C) MJ/L massique MJ/kg volumique MJ/ L MJ consommé / MJ carburant EthOH p atm 17-35% distil. ButOH p atm? distil. CH bars % compr ession H 2 H bars -253 C % 42% compr ession liq. essence p atm diesel p atm

11 Biocarburant+bioconversion "idéaux"? Biocarburant: - liquide, bonne densité énergétique - compatibilité moteurs Substrat et conversion: - biomasse disponible / résidus, sans compétition alimentaire - peu de prétraitements / hydrolyse microbienne spontanée - conversion robuste et "complète" Energie: - récupération, purification performante - bilan et ratio énergétiques favorables Filière biométhanisation => carburant liquide?

12 Acidogenèse + Méthanogenèse biomasse complexe (non lignifiée): biopolymères protéines, polysaccharides, lipides... hydrolyse microbienne matière organique hydrolysée: monomères acides aminés, monosaccharides, acides gras, glycérol)... communauté microbienne complexe 2H 2 + CO 2 H 3 C-COOH acide acétique acidogenèse acéto - genèse éthanol acide propionique C3 acide butyrique C4...C5, C6 acide lactique hydrogénotrophe méthanogenèse acétoclaste fermentation acidogène fermentation méthanigène 2H 2 O + CH 4 CH 4 + CO 2

13 Acidogenèse: source de nouveaux biocarburants liquides? biomasse complexe (non lignifiée) hydrolyse microbienne matière organique hydrolysée acidogenèse éthanol, acide acétique C2, acide propionique C3 acide butyrique C4,...C5, C6, acide lactique biocarburants? conversion chimique communauté microbienne complexe Intérêts attendus: - valorisation de biomasses complexes et diverses - valorisation de toutes les fractions - hydrolyse microbienne autonome - microbiologie "autostable" - récupération efficace des produits - biocarburants liquides

14 Acidogenèse: source de nouveaux biocarburants liquides? biomasse complexe (non lignifiée) hydrolyse microbienne matière organique hydrolysée acidogenèse éthanol, acide acétique C2, acide propionique C3 acide butyrique C4,...C5, C6, acide lactique biocarburants? conversion chimique communauté microbienne complexe Défis: - concentration des produits suffisantes et reproductibles - produits en mélange - sélection de techniques de séparation performantes - conversion chimique efficace - compatibilité des biocarburants avec les moteurs actuels/futurs - bilan énergétique et environnemental favorable

15 Projet de recherche LIGNOFUEL Développement d'une filière intégrée pour la production de biocarburants de 2ème (et 3 ème?) génération à partir de lignocelluloses Financement: DGTRE Partenaires: FUSAGx : - Chimie Biologique Industrielle (M. Paquot) - Technologie des Industries Agro-alimentaires (Cl. Deroanne) UCL : - Génie biologique (P. Gerin) - Ingénierie Matériaux et procédés (J. De Wilde) - Catalyse (E. Gaigneaux) Début: Mars-avril 2008

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