Développement de la filière des microalgues au Québec Aspects technologique et commercial de la valorisation industrielle des microalgues dans les secteurs nutraceutique et énergétique Réalisé par : Viviane Bélair, Biologiste marine avec maîtrise en chimie, UQAR et UL Nicolas Bertrand, Chargé de projet du CRIBIQ Mohammed Benyagoub, Directeur général du CRIBIQ
TABLE DES MATIÈRES INTRODUCTION... 1 1. BIOLOGIE DES MICROALGUES... 2 CONSTITUANTS CELLULAIRES... 3 MODE TROPHIQUE DES MICROALGUES... 6 PHOTOSYNTHÈSE ET EFFICACITÉ DE CONVERSION DE LA LUMIÈRE... 8 Le spectre de lumière... 9 Appareil photosynthétique et pigments... 10 Chlorophylle... 11 Caroténoïdes... 12 Phycobilines... 12 Phases de la photosynthèse... 12 Les réactions photochimiques ou phase «claire»... 13 Cycle de Calvin ou phase «sombre»... 15 Métabolisme des microalgues et respiration... 16 PRODUCTIVITÉ DES MICROALGUES ET RÉGULATION DE LA RÉSERVE LIPIDIQUE... 17 SÉLECTION DE SOUCHES... 18 2. OPTION DE PRODUCTION INDUSTRIELLE... 21 HISTORIQUE ET MARCHÉ ACTUEL DES MICROALGUES... 21 LES MODES DE CULTURE... 23 Mode Discontinu... 24 Mode Semi- continu... 25 Mode Continu... 25 LES SYSTÈMES DE CULTURE... 25 Système ouvert... 25 Système fermé... 30 Système hybride... 33 PRODUCTIVITÉ ET COMPARAISON DES SYSTÈMES... 33 3. OPTIMISATION DES CONDITIONS DE PRODUCTION... 35 LUMIÈRE ET PHOTOPÉRIODE... 36 TEMPÉRATURE... 38 DIOXYDE DE CARBONE (CO 2 )... 39 OXYGÈNE (O 2 )... 41 PH... 41 NUTRIMENTS... 42 - Azote (N) :... 42 - Phosphore (P) :... 43 - Rapport N/P :... 43 - Éléments traces et Silice :... 43 -... 44 MÉLANGE... 45 SALINITÉ... 45
4. TECHNIQUES DE SÉPARATION... 45 ACTION... 53 6. VOIES DE VALORISATION DES MICROALGUES OVATION... 64 7. PRODUCTION DE BIOCARBURANTS... 69 INTÉRÊT DES BIOCARBURANTS... 69 GÉNÉRATIONS DE BIOCARBURANTS... 72 AVANTAGES DES BIOCARBURANTS MICROALGAUX... 74 DIFFICULTÉS TECHNIQUES DE PRODUCTION DE BIOCARBURANTS À PARTIR DES MICROALGUES... 76 TECHNIQUES DE CONVERSION EN BIOCARBURANTS... 76 CONVERSION CHIMIQUE... 78 CONVERSION THERMOCHIMIQUE... 78 CONVERSION BIOLOGIQUE... 82 COMPARAISON DES PROPRIÉTÉS DES BIOCARBURANTS... 83 ES GRAS POLYINSATURÉS, MARCHÉ DES OMÉGA-3/OMÉGA-6... 91 LES 3 ET 6... 91 LES GRANDS INVESTISSEURS DU DOMAINE... 92 9. INTÉGRATION DES TECHNOLOGIES DE PHYCOREMÉDIATION... 92 TECHNOLOGIE DE PHYCOREMÉDIATION D ÉMISSION INDUSTRIELLE DE CO 2... 93 TECHNOLOGIE DE PHYCOREMÉDIATION DES EAUX USÉES... 97 10. ASPECTS DE RECHERCHE ET DÉVELOPPEMENT... 100 11. CONCLUSION... 104 12. BIBLIOGRAPHIE... 105 ANNEXE 1 PRISES DE PRODUCTION ET DE TRANSFORMATION DES MICROALGUES... 112
LISTE DES TABLEAUX Tableau 1: Composition de quelques espèces de microalgues et comparaison à certains aliments [7].... 3 Tableau 2 : Espèces de microalgues en culture hétérotrophique commerciale [7].... 6 Tableau 3 : Espèces de microalgues en culture mixotrophique commerciale [7].... 7 Tableau 4 : [3]... 17 Tableau 5 : Caractéristiques des principales familles de microalgues, adapté de Richmond 2004 et Wehr, 2003 [4, 7].... 20 Tableau 6 : Comparaison des aspects des systèmes de culture de microalgues à grande échelle [45].... 33 Tableau 7 : Liste de nutriments et éléments trace essentiels aux microalgues [7].... 44 Tableau 8 : Composés nutraceutiques et bioactifs extraits des microalgues par fluide supercritique [113].... 57 Tableau 9: Valeur des différents produits de valorisation issus des microalgues [45].... 66 Tableau 10 : Principaux avantages des biocarburants de la troisième génération.... 74 Tableau 11 : Surface terrestre requise pour la production de diverses cultures [50].... 75 Tableau 12 : Productivité de quelques espèces de microalgues [22].... 75 Tableau 13 : Conditions de pyrolyse et produits obtenus et comparaison des biohuiles microalgale et lignocellulosique avec le pétrole [26]..... 81 Tableau 14 : Comparaison des propriétés des biocarburants liquides et gazeux [132].... 84 Tableau 15 : Classification des acides gras [144].... 86 Tableau 16 : Profil des acides gras de plantes oléagineuses [144].... 89 Tableau 17 : Comparaison des propriétés du biodiésel obtenu des microalgues avec celles du diésel pétrolier et les normes ASTM et EN14214 [26, 50].... 90 Tableau 18 : Liste partielle de compagnies en recherche, développement, manufactures ou marchands de AGPI ou de produits contenant des AGPI [149].... 92 Tableau 19 : Bilan du système de production sur la réduction des GES [45].... 94 Tableau 20 : Composition des gaz émis par une usine au charbon [45].... 94 Tableau 21 : 2 [154].... 95 Tableau 22 : Liste de producteurs de microalgues et des compagnies en R- D qui intègrent un service de phycoremédiation du CO 2.... 96 Tableau 23 : Liste de producteurs de microalgues avec service de phycoremédiation des eaux usées.... 99 Tableau 24 duction pour le marché du biodiésel.... 103
LISTE DES FIGURES Figure 1 [1].... 1 Figure 2 : Différences morphologiques entre les espèces de microalgues [8]... 2 Figure 3: Paroi cellulaire des diatomées (gauche) et des Coccolithophoridées.... 4 Figure 4 : Structure de la membrane plasmique [17].... 4 Figure 5 : Structure interne de la cellule de microalgue (Nannochloropsis sp.) [19].... 5 Figure 6 : Structure de la cellule bactérienne (Escherichia coli) [20].... 5 Figure 7 : Exemple de cuve de fermentation à grande échelle de la compagnie Solaris.... 7 Figure 8 : Comparaison de la productivité (biomasse et lipides) de Chlorella protothecoides en fonction du mode trophique et pigmentation des cultures (A : autotrophique, B : hétérotrophique (15 g glucose/l) et C : mixotrophique) [25].... 8 Figure 9 : Spectre de la lumière et de radiation active de photosynthèse (RAP) [7].... 9 Figure 10 Chlamydomonas) et du chloroplaste.... 10 Figure 11 [3].... 11 Figure 12 : Structure de la chlorophylle a et spectre d'absorption (chlorophylle a et b) [7].... 11 Figure 13 -carotène (A) et Astaxanthine (B) [7].... 12 Figure 14 : Structure de la phycocyanobiline [7].... 12 Figure 15 : Processus de photosynthèse et réactions intracellulaires associées [34].... 13 Figure 16 : Structure de la chaîne de transport [35].... 14 Figure 17 [7].... 15 Figure 18 : Synthèse des lipides des microalgues [10].... 16 Figure 19 : Sélection de souches de microalgues du milieu naturel A) Microscopie [41], B) Isolation de souche [42], C) Culture de souche [43] et D) Test de productivité (biomasse et produit de valorisation) pour [43].... 18 Figure 20 [45].... 21 Figure 21 : Bassin de productio Haematococcus Pluvialis de A) B) -carotène (Dunaliella salina) et C) Biomasse séchée et liquide Nutrex).... 22 Figure 22 [2].... 23 Figure 23 : Production de microalgues en mode discontinu [45].... 24 Figure 24 : Configuration du système ouvert de type «piste de course» [45, 54].... 26 Figure 25 : Configuration du système ouvert de type A) piste de course de Cyanotech Corporation (remarquer la personne au centre de la photo) [60], B) Circulaire, pour la production de spiruline au Japon [61] et C) Profond de Algae-to-Energy [62].... 27 Figure 26 : Bassin de A) General Atomics de San Diego [63], B) Terrain de Sapphire Energy au Nouveau Mexique [64], C) Seambiotic, D) Feyecon, E) Martek Biosciences Corporation et F) AzCATI [43].... 28 Figure 27 : Bassins couverts, A) Bassin confiné sous serre du Montana State University et Utah State University et B) Bassin confiné par OriginOil et MBD (Australie).... 29 Figure 28 : Bassin de A) Cyanotech Corp. à Hawaii, B) Earthrise Farms en Californie, C) Seambiotic, D) Kent Bioenergy [67] et E) Aurora Algae [68].... 29 Figure 29 : Configuration des photobioréacteurs A) Système «Airlift» et B) Système à pompe [69]... 30 Figure 30 : Configuration de divers photobioréacteurs A) Tubes horizontal [70], B) Tubes serpentin [71], C) Plaques verticales [72], D) Plaques inclinées [73] et E) Sacs suspendus [74].... 31 Figure 31 : Photobioréacteur de la compagnie Bio Fuel System (BFS) pour la phycoremédiation du CO 2. A) [75] et B) Structure interne du photobioréacteur [76].... 31 Figure 32 : Culture dans des PBR en sac de SQC Pty Ltd, Australie [77].... 32 Figure 33 : Photobioréacteurs industriel de IGV GmbH [7].... 32 Figure 34 : Production à grande échelle en photobioréacteur, Solix Biofuels [80].... 34
LISTE DES FIGURES (SUITE) Figure 35 : Production à grande échelle en bassin ouvert, Aurora Algae [81].... 34 Figure 36 : A) Vidéo OriginOil sur la technologie OriginOil [83] et C) PBR en fonction [84].... 36 Figure 37 : Distribution moyenne des radiations solaires, de 1983- [3].... 37 Figure 38 -ombrage des cellules entre elles, à haute densité cellulaire [87] Figure 39 : Dissolution du CO 2 [93].... 40 Figure 40 : Membrane de dissolution pour bassin [94].... 40 Figure 41 : Forme de carbone disponible en fonction du ph [93].... 41 Figure 42 : Vidéo de la compagnie Ingrepro Renewables BV. Assimilation de nutriments par les microalgues et leur division cellulaire. Vidéo : http://www.ingrepro.nl/renewables_algenbioreactor/?lang=nl.... 42 Figure 43 : Techniques de séparation.... 46 Figure 44 : Gamme de tailles appropriées aux techniques de séparation [99].... 47 Figure 45 : Procédé de flottaison par air dissous AHTO de World Water Works.... 49 Figure 46 : Appareil de filtration A) Filtre presse Pannevis-Hoesch et B) Filtration sous vide Larox-Pannevis.... 49 Figure 47 [103].... 50 Figure 48: Gamme de tailles de particules pour différents types de centrifugeuses [7]. Les noms ne sont pas... 51 Figure 49 : Configuration de centrifugeuse de type industrielle, A) Centrifugeuse solide-liquide de GEA, B) Centrifuge Flottweg C) Décanteur Flottweg et D) Centrifuge SRS.... 51 Figure 50 configuration disques de centrifugation et la biomasse concentrée (www.evodos.eu)...52 Figure 51... 52 Figure 52 : AlgaVenture System (AVS) pour la récolte de microalgues. A) Appareil AVS [105], B) vidéo du AVS en fonction [105], C) Schéma simplifié [105] et D) Modèle de laboratoire [106].... 53 Figure 53 : Schéma du procédé traitement des microalgues.... 54 Figure 54 : Techniques de rupture cellulaire. Adapté de Middelberg (1995) [20, 107].... 55 Figure 55 traction supercritique ScCO 2 : http://www.algaeindustrymagazine.com/astaxanthin-extraction/... 57 Figure 56 [116]... 58 Figure 57 -shq8), C) Récolte (http://www.youtube.com/watch?v=_zlu-5yks3e), D) Séchage (http://www.youtube.com/watch?v=ywske0fjpaw), E) Extraction (http://www.youtube.com/watch?v=z8nvhw7ymbc) et F) Produits (http://www.youtube.com/watch?v=f1zdcabs6qu).... 58 Figure 58 : http://www.youtube.com/watch?v=oqqlsk3cuwy&feature=related... 60 Figure 59 [125].... 60 Figure 60 : Procédé Single step Extraction TM [83].... 61 Figure 61 extraction «Single step extraction» (http://www.originoil.com/technology/singlestep-extraction.html) et B) Huile en surface de la biomasse, suite à la centrifugation [126].... 61 Figure 62 : Technologies du procédé Single step Extraction TM [112].... 62
LISTE DES FIGURES (SUITE) Figure 63 Single step extraction» et la centrifugation [126]... 62 Figure 64 : Appareil de PEF, PowerMod TM de Diversified Technology Inc.... 63 Figure 65 : Cellules de microalgues, avant et après le HVED.... 64 Figure 66 : http://www.algaeindustrymagazine.com/open-algae-extraction/.... 64 Figure 67 : Marchés et produits valorisables de la biomasse microalgale [22]... 65 Figure 68 [107].... 67 Figure 69 : Répartition mondiale des grands investisseurs du domaine [14]... 68 Figure 70 : Origine des inventions des biocarburants algal [130].... 68 Figure 71 : Principales entités dépositaires de brevets [130].... 69 Figure 72 : vidéo de la compagnie KaiBioenergy http://www.kaibioenergy.com/.... 70 Figure 73 : Évolution de la production mondiale de biodiésel et les principaux pays producteurs [130]... 71 Figure 74 : Répartition des systèmes de production utilisé pour produire les biocarburants [130].... 71 Figure 75 : Voies de conversion de la 1 re génération de biocarburants [139].... 73 Figure 76 : Voies de conversion de la 2 e [139]... 73 Figure 77 : Voies de conversion de la 3 e génération de biocarburants [139]... 74 Figure 78 : Culture commerciale de Spirulina (90 acres) par Cyanotech Corp., Hawaii.... 76 Figure 79 : Localisation des différents composés énergétiques des microalgues [141] et composé utilisé pour la conversion en bioénergie [142].... 77 Figure 80 : Évolution dans le temps des brevets et type de biocarburants ciblés [130].... 77 Figure 81 : Différentes techniques de conversion de la biomasse microalgale, adapté de Brennan (2010) [26, 40]... 78 Figure 82 (http://www.youtube.com/watch?v=mbttekdftvo&feature=relmfu), C) Deuxième partie (http://www.youtube.com/watch?v=3anau83qxt4&feature=relmfu), D et E) Troisième partie et installation de production (http://www.youtube.com/watch?v=abjykarlwxm&feature=relmfu)... 78 Figure 83 : Différentes voies de transformation du syngaz [45]... 79 Figure 84 [45].... 80 Figure 85 : Vidéo sur la gazéification : http://www.tcoalternativefuels.com/vc/index.php?page=algae.... 80 Figure 86 hydrotreating/hydroprocessing Technology [128].... 81 Figure 87 : Production de biométhane [45].... 82 Figure 88 : Valorisation du tourteau en éthanol [45].... 83 Figure 89... 89 Figure 90 : Structure de [148].... 91 Figure 91 2 Institute of Technology (MIT) et photobioréacteur de Green Fuel, visibles [151].... 93 Figure 92 : Vidéo de Carbon Capture Corporation, (http://www.youtube.com/watch?v=mopsqiestba)... 94 Figure 93 2 pour la production de microalgues. A)Schéma [45] et B) Technologie de récupération et traitement du CO 2 de Tomorrow Biofuels [162].... 96 Figure 94 Adapté [45, 166].... 98 Figure 95 l [50].100 Figure 96 [50].... 101 Figure 97 : Bloc de production et conditions de culture [50].... 101 Figure 98 : Bloc de traitement de la culture [50]... 102 Figure 99 : Bloc de transformation de la culture et système de recyclage [50]... 102
Développement de la filière des microalgues au Québec Aspects technologique et commercial de la valorisation industrielle des microalgues dans les secteurs nutraceutique et énergétique Réalisé par : Viviane Bélair, Biologiste marine avec maîtrise en chimie, UQAR et UL Nicolas Bertrand, Chargé de projet du CRIBIQ Mohammed Benyagoub, Directeur général du CRIBIQ