Valorisation du CO 2 industriel par microalgues

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1 ARTICLE TECHNIQUE Système d étang hybride optimisé pour l approche québécoise La bioséquestration pour la valorisation énergétique du CO 2 par microalgues se positionne actuellement à travers le monde comme une solution prometteuse pour la production de biocarburants et autres produits à valeur ajoutée (PHVA). Toutefois, les particularités pour une implantation au Québec, en regard notamment à notre contexte climatique, nécessite l adaptation et le développement de nouvelles technologies pour en optimiser les performances. Par Yann Le Bihan Ph. D., microbiologiste, agent de recherche, Centre de recherche industrielle du Québec (CRIQ) Par Marc Daigle génie chimique, agent de recherche, CRIQ Par Marie-Louise Tremblay M. Sc., microbiologiste, gestionnaire de projets, CRIQ Par Paul Grenier Ph. D. physique, coordonnateur technique de projets, Institut national d optique (INO) Par Marc Levesque M. Sc. physique, chercheur système, INO Par Mélanie Leclerc M. Sc. physique, chercheure conception mécanique, INO Et par Nathalie Renaud M. Sc. physique, gestionnaire de programmes, INO Compte tenu du potentiel de cette technologie, le Centre de recherche industrielle du Québec (CRIQ), dans une approche partenariale avec l Institut national d optique (INO), a proposé de réaliser un projet de recherche et développement (R et D) qui vise spécifiquement le développement d un procédé de valorisation du CO 2 par microalgues adaptées au contexte québécois. En septembre 2010, le CRIQ s est vu octroyer une subvention dans le cadre du Programme de soutien à la recherche, volet 1 : Soutien à des projets de recherche ou à des organismes et regroupements stratégiques de recherche (PSRv1) pour la réalisation de la phase 1 de ce projet de R et D intitulé «Biovalorisation CO 2 -Québec». Quatre industries québécoises, CliffsMines Wabush, Aluminerie Alouette inc., Rio Tinto Alcan et Alcoa Canada, ont également accepté de participer à la réalisation de la phase du projet. Pour développer une technologie performante à un coût permettant d envisager la rentabilité économique, notre approche consiste à réduire l empreinte surfacique en maximisant le processus de photosynthèse à l aide d un système de captage et de redistribution de la lumière naturelle dans un bassin de plus de 60 cm de profondeur (en instance de brevet). Principe de la photosynthèse La photosynthèse est un processus biochimique qui permet aux plantes, aux algues et à certaines bactéries de synthétiser de la matière organique à partir de la lumière. Les besoins nutritifs de ces organismes sont du dioxyde de carbone (CO 2 ), de l eau et des nutriments minéraux. À l aide de la chlorophylle, l énergie solaire est convertie et stockée sous forme de sucres en utilisant comme matières premières le CO 2 de l atmosphère et de l eau (H 2 0). Les sucres issus de ce processus biochimique sont des matériaux organiques à haute valeur énergétique. Les sucres ainsi formés et accumulés sont ensuite utilisés par la microalgue comme source d énergie (c est la «respiration»). L énergie chimique ainsi libérée est alors transférée aux diverses chaînes métaboliques cellulaires nécessitant un apport d énergie, comme la synthèse des protéines ou des lipides. Énergie solaire vs énergie artificielle Les valeurs théoriques de rendement photonique (équivalent à la productivité algale pour un éclairage donné) sont inspirées du principe de la photosynthèse, encore controversé, où il est mentionné que des valeurs variant entre 6 et 16 moles de photons sont nécessaires à la fixation d une mole de CO 2 (Grobbelaar, 2004). Certains auteurs, dont Masojîdek et al., (2004), utilisent une valeur de dix (10) moles de photons utilisés pour fixer une mole de CO 2. Cette valeur de 10 moles de photons a été retenue comme base de calcul. Une autre information nécessaire pour évaluer la productivité est le taux de conversion du CO 2 en biomasse algale. Chisti (2007), rapporte qu un kilogramme de biomasse représente en moyenne 1,8 kg de CO 2 fixé. D un point de vue énergétique, l efficacité théorique de la photosynthèse se situe autour de 29 %. De façon concrète, cela signifie que pour 100 MJ d énergie administrés aux microalgues sous forme d énergie lumineuse utilisable (longueur d onde entre nm), au mieux, un total de 29 MJ d énergie sera extrait de ces algues. Il s agit en fait de valeur théorique puisqu en réalité, d un point de vue pratique, seule 10 MJ d énergie totale en sont extraits soit un rendement énergétique de 10 % (Pulz et Scheibenbogen, 1998). Donc, produire des microalgues à partir d éclairage artificiel, dans un objectif de générer de l énergie, comporte 52 Vecteur Environnement Janvier 2014

2 un bilan énergétique défavorable; on consomme plus d énergie qu on en produit. Toutefois, dans un contexte où l énergie électrique serait perdue, l approche de la croissance de microalgues sous éclairage artificiel pourrait permettre de convertir cette électricité perdue en une forme d énergie entreposable (biomasse algale). Ainsi, dans une vision de production énergétique par des microalgues photoautotrophes, le soleil, une énergie «gratuite», serait l une des alternatives les plus appropriées. Toutefois, l utilisation de la lumière solaire comporte certaines limitations. Le phénomène de photosaturation du processus de photosynthèse requiert une redistribution («dilution») de la radiation solaire pour permettre de maximiser l utilisation de l énergie solaire (les photons). Par temps clair, l intensité (irradiance) totale solaire est de l ordre de Sur cette énergie totale, seulement 450 correspondent aux bonnes longueurs d ondes utilisables par les algues. Cela est environ 10 fois plus élevé que l intensité de photosaturation des microalgues. Une photosaturation se traduit par une mauvaise utilisation des photons qui représente ici la source d énergie pour la croissance des microalgues. Pour éviter la photosaturation, idéalement chaque mètre carré de radiation solaire doit être redistribué sur au moins 10 mètres carrés de microalgues et donc dilué 10 fois. Ce phénomène de photosaturation en lien avec l intensité solaire est la raison principale qui limite le rendement photonique dans les étangs ouverts simples sans éléments de diffusion de lumière (open pound). En effet, il est généralement admis dans la littérature que pour une production sur une base régulière, le rendement photonique nécessite plutôt 100 moles de photons pour fixer une mole de CO2. Donc, un étang où l intensité solaire est optimisée à l aide d éléments optiques pourra, au mieux (c est-à-dire maximum théorique), avoir un rendement photonique de 10 moles de photons par mole de CO2 fixée. En s inspirant du rendement photonique théorique, au Québec, au mieux, 39 grammes de biomasse peuvent être produits par mètre carré de lumière captée par jour, ce qui correspond à une capture de CO2 de 70. Projet CO2-Québec Pilotage en laboratoire avec un réacteur de 20 L et L (3 m2) Dans l optique de valider l approche de l utilisation et la dilution de l énergie solaire, sur une période de plus de 3 ans, des essais ont été réalisés dans les laboratoires du CRIQ et de l INO sous éclairage artificiel à l aide de lumières ayant un spectre similaire au soleil et représentant des intensités variant de 15 à 50 % de l irradiance solaire. Les algues utilisées ont été récoltées localement; il s agit donc d un consortium de souches indigènes du Québec. Des essais en réacteur de 20 L et de L (figures 1 et 2) ont donc été réalisés afin de valider différents points à l égard des types de diffuseurs à privilégier (figure 1), des caractéristiques du consortium de microalgues, les rendements de croissance mesurés, leur récolte et leur résistance face à certaines composantes toxiques des rejets industriels. Figure 1 Types de diffuseurs utilisés pour la croissance des microalgues (diffuseur tubulaire à gauche et en forme de V à droite) Vecteur Environnement Janvier

3 ARTICLE TECHNIQUE Système d étangs hybride optimisé pour l approche québécoise Figure 2 Réacteur de L pour la croissance des microalgues avec diffuseur en forme de V Résultats Choix des éléments optiques Les essais ont permis de valider plusieurs prototypes de dilutions de la lumière. Les résultats ont fait ressortir qu un diffuseur de lumière en forme de V serait un concept avantageux en raison de sa forme plus simple à fabriquer et de par son utilisation qui requiert un suivi solaire dans un axe seulement (c est-à-dire l inclinaison saisonnière). Cette approche permet d obtenir un gain de productivité d un facteur 3 à 4 par rapport à un bassin ouvert conventionnel. Effet de la concentration en biomasse Lors des essais, la concentration en biomasse, qui a varié entre 250 et mg/l, n a pas eu d effet sur les rendements photoniques (efficacité d utiliser la lumière). Le système pourra donc être opéré à des concentrations élevées en biomasse. En plus de faciliter la récolte, ceci facilitera le maintien des souches dominantes aux caractéristiques recherchées (ex. : teneur en sucres ou en lipides). Caractéristiques chimiques des microalgues Pour ce qui touche les caractéristiques chimiques des consortiums des microalgues, leur composition s est maintenue de façon relativement stable pour toute la durée du projet. Les teneurs en lipides du consortium ont été de 22 à 27 % dont plus de 30 % du contenu en lipides sont des oméga-3. La distribution moyenne des principales composantes cellulaires est présentée à la figure 3. Effet de l agitation Un faible brassage n affecte pas le rendement photonique. Ainsi, le coût des équipements et de l énergie nécessaire au maintien de la biomasse en suspension est réduit au minimum. De plus, un réacteur faiblement agité favorise la formation de flocs de microalgues, ce qui représente un avantage pour la récolte. Le profil vertical de la biomasse a été mesuré dans le réacteur de L agité par injection de gaz uniquement. Un échantillonnage a été effectué à cinq profondeurs et à deux endroits différents dans le réacteur afin 54 Vecteur Environnement Janvier 2014

4 En s inspirant du rendement photonique théorique, au Québec, au mieux, 39 grammes de biomasse peuvent être produits par mètre carré de lumière captée par jour, ce qui correspond à une capture de CO 2 de 70. Figure 3 Composition chimique moyenne des microalgues du consortium. de mesurer les matières en suspension (MES). Les résultats sont présentés à la figure 4. Le comportement présenté à cette figure démontre que la concentration en biomasse demeure pratiquement constante à ± 270 mg/l pour une profondeur de 0-45 cm. Par contre, la biomasse est plus concentrée au fond et atteint des valeurs au-delà de 800 mg/l. Cette approche s avère d intérêt pour une récolte simplifiée des microalgues par le fond à des concentrations élevées. Figure 4 Profil vertical des MES dans le réacteur de L agitées uniquement par l injection des gaz à 0,009 vvm Vecteur Environnement Janvier

5 ARTICLE TECHNIQUE Système d étangs hybride optimisé pour l approche québécoise Le système d étang hybride développé est actuellement en instance de brevet et pourra être exploité pour valoriser des produits à valeurs ajoutés dans plusieurs secteurs d applications. Effet des gaz toxiques L objectif de cette mesure visait à évaluer le comportement du système pour des gaz synthétiques simulant les principaux composés contenus dans les rejets gazeux industriels. Pour cette simulation, un gaz synthétique formé à partir de COS (6 ppmv), CO 2 (1 %), CO (300 ppmv) SO 2 ( 130 ppmv) et NO 2 (7 ppmv) a été injecté dans la culture pendant toute la croissance. Le rendement de production a été légèrement inférieur à celui obtenu en réacteur témoin (< %), mais une tendance à l acclimatation a été observée. L adaptation du consortium d algues sur une période prolongée d exposition serait donc envisageable. Le barbotage des gaz dans le réacteur de croissance d algues a permis de séquestrer au moins 82,5 % du CO 2 et 54 % du SO 2. Ce dernier recèle un potentiel intéressant qui reste à étudier. Québec. En effet des rendements photoniques de moles de photons par mole de CO 2 fixée ont été mesurés fréquemment lors des différents essais. De toute évidence, le système d étang hybride est plus avantageux tant à l égard des coûts de production que de l espace terrain occupé. Certains éléments pour lesquels une réduction de coût est possible devront être pris en compte pour la définition des travaux futurs. Ces gains permettraient à cette technologie de se démarquer encore plus des technologies actuelles. Certaines variantes à la conception du système devront être approfondies pour faire un choix judicieux notamment sur le système de suivi solaire et la gestion des contraintes hivernales. Le système d étang hybride développé est actuellement en instance de brevet et pourra être exploité pour valoriser des produits à valeurs ajoutés dans plusieurs secteurs d applications. De plus, grâce à une augmentation en productivité d un facteur 3 à 4 par rapport aux procédés conventionnels, cette technologie est compétitive, tant au Québec qu à l étranger. Conclusion Pour une production équivalente, le déploiement de la technologie conventionnelle de bassin d algue «raceway» requiert de 3 à 4 fois plus de surface de terrain que le système d étang hybride développé dans le cadre du projet CO 2 - Références Chisti Y., (2007). «Biodiesel from microalgae», Biotechnology Advances, (25), Grobbelaar J. U. (2004). Chapter 6 Algal Nutrition-Mineral Nutrition. In Handbook of Microalgal Culture: Biotechnology and Applied Phycology, ed. Amos Richmond, Blackwell Science. Masojîdek, J., M. Koblîzêk et G. Torzillo. (2004). Chapter 2 Photosynthesis in Microalgae. In Handbook of Microalgal Culture: Biotechnology and Applied Phycology, ed. Amos Richmond, Blackwell Science. Pulz, O. et K. Scheibenbogen. (1998). Photobioreactors: design and performance with respect to light energy input. In Bioprocess and algae reactor technology, apoptosis, Springer Berlin Heidelberg, p Vecteur Environnement Janvier 2014