Conversions biologiques de biomasses en biocarburants http://www.worldbiomes.com/biomes_grassland.htm http://www.pointsdactu.org/ attelage matériaux,fibres,force motrice cycliste, esclave assiette d'aliments http://www.gers.pref.gouv.fr http://www.velocaleche.com/ UCL Patrick Gerin Unité de Génie Biologique 3ème Table Ronde Biocarburants - Valbiom - Bois de Villers 10/06/2008
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?
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 2 + 2 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
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
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 2 + 2 H 2 +2H2O 2 H 3 C-COOH (acide acétique) + 2 CO 2 + 4 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 2 + 2 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 3 + 3 CO 2 + 2 H 2 fermentation mixte: 60-70% butanol - 30-35% acétone - 0-5% éthanol
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
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
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
Hydrogène: gaz pour quel avenir? Photo-production algues+lumière 2 H 2 O O 2 + 2 H 2 Fermentation µ.o. C 6 H 12 O 6 + 2 H 2 O H 3 C-CH 2 -CH 2 -COOH + 2 CO 2 + 2 H 2 (acide butyrique) µ.o. C 6 H 12 O 6 + 2 H 2 O 2 H 3 C-COOH + 2 CO 2 + 4 H 2 (acide acétique) Photo-fermentation µ.o.+lumière 2 H 3 C-COOH + 4 H 2 O 4 CO 2 + 8 H 2 Intérêt: C 6 H 12 O 6 + 6 H 2 O 6 CO 2 + 12 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
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 26.8 21.0 20.5 20.2 p atm 17-35% distil. ButOH 33.1 26.8 25.5 25.8 p atm? distil. CH 4 50 0.0329 21.1 11.2 350 bars 1.6-3.6% compr ession H 2 H 2 120 120 0.0099 0.0099 9.0 16.9 3.0 4.5 350 bars -253 C 5.5-14% 42% compr ession liq. essence 42.8 33.2 33.4 31.9 p atm diesel 44.0 36.2 33.3 34.8 p atm
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?
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
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
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
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