Intensification de la production d'éthanol biocarburant dans un bioréacteur bi-étagé avec recyclage cellulaire : modélisation et stratégie de conduite (original) (raw)
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Journal de la Société de Biologie, 2008
-Les organismes vivants en général, et les plantes cultivées en particulier, sont les réservoirs d'une quantité impressionnante de molécules ayant des propriétés variées et impliquéesà tous les niveaux (structure, stockage, activité biologique etc.). Longtemps utilisée dans son intégralité ou après des transformationsélémentaires pour l'alimentation, le chauffage ou encore le papier, la matière première végétale entre maintenant dans une nouvelleère : celle de la bioraffinerie ou raffinerie du végétal. Ce concept, né dans les années 90, se base sur le modèle de la raffinerie pétrolière. L'agriculture génère en effet des tonnes de co-produits qui, pendant longtemps, furent considérés comme des déchets. Mais la valorisation de ces sous-produits est aujourd'hui un enjeuéconomique etécologique, l'utilisation de matières premières renouvelables en lieu et place d'équivalents fossiles contribue en effetà la préservation de l'environnement par réduction desémissions de CO2, principal gazà effet de serre de la planète. L'objectif est donc de fractionner la plante ou ses co-produits, puis de purifier et transformer les différentséléments afin d'obtenir soit des biocarburants soit ce qu'on appelle aujourd'hui des ((bioproduits)) comme les bioplastiques ou les tensioactifs. Dans cette perspective, les champignons filamenteux, capables de coloniser une grande variété de végétaux, produisent de nombreuses enzymes adaptéesà la modification de ce type de substrats. L'exemple, peut-être le plus avancé industriellement aujourd'hui, est la fabrication de bioéthanol de seconde génération c'est-à-direà partir de matériaux organiques renouvelables. Il comprend notamment uneétape d'hydrolyse enzymatique de la biomasse nécessitant différentes cellulases produites par des champignons de type Trichoderma. Cette premièreétape ouvre la voie vers une diversification des ressourceś energétiques dans le domaine du transport et contribueà l'essor de la chimie végétale qui a pour but de se substituer partiellementà la pétrochimie.
-Les différentes exploitations industrielles sur les plantes entraînent la formation de considérables déchets lignocellulosiques nommés biomasse. La présente étude a pour but la valorisation de cette biomasse en produisant du bioéthanol de deuxième génération, il s'agit d'une valorisation optimale qui passe par l'exploitation de la totalité des débouchés dans une approche intégrée de type "bioraffinerie" pour la production des sucres simples fermentescibles à haute valeur ajoutée. Dans une première étape, la biomasse a été dépolymérisée par un traitement à la vapeur. Ensuite, un traitement par l'acide sulfurique a été effectué pour la saccharification et la libération des sucres simples. Dans une deuxième étape et dans le but de réduire les composés phénoliques, le substrat issu a été décanté et filtré puis traité par le dihydroxyde de calcium. Parallèlement à l'hydrolyse chimique, la biomasse a été prétraitée par la steam explosion pour rendre tous ces composés accessible à l'hydrolyse enzymatique. En plus, les techniques et les variables d'hydrolyse chimique et biologique (la température, la pression, le temps, la concentration et les conditions de détoxification et de production d'enzyme) ont été optimisés. En conclusion, ce travail a permis de mettre au point un procédé biotechnologique pour valoriser la biomasse solide, qui permet non seulement de réduire l'impact environnemental, mais aussi de diminuer les coûts et d'ajouter une valeur socio-économique à ces déchets.
Production d'éthanol à partir de biomasse lignocellulosique
Cette étude fait le point des connaissances scientifiques et techniques dans le domaine de la production alcoolique à partir de susbstrats lignocellulosiques. Ce travail, réalisé dans le cadre d'Agrice (Agriculture pour la chimie et l'énergie), est une synthèse bibliographique qui a cherché à identifier les avancées capables de débloquer certains verrous technologiques et économiques liés à ce type de procédé. La biomasse lignocellulosique est un substrat complexe, constitué des trois principales fractions que sont la cellulose, les hémicelluloses et la lignine. Le procédé de production d'éthanol consiste à récupérer par hydrolyse le maximum de sucres issus à la fois des fractions cellulosiques et hémicellulosiques, puis de fermenter ces sucres en éthanol. Les premiers procédés d'hydrolyse utilisés étaient surtout chimiques, mais ils sont peu compétitifs à l'heure actuelle, en raison notamment du coût des réactifs et de la formation de nombreux sousproduits et de composés inhibiteurs rendant les hydrolysats peu fermentescibles. Ils sont désormais concurrencés par les procédés enzymatiques, plus spécifiques et qui permettent de meilleurs rendements d'hydrolyse dans des conditions moins sévères. Cependant, la biomasse lignocellulosique n'est pas directement accessible aux enzymes, et elle doit subir au préalable une phase de prétraitement dont l'objectif est d'améliorer la susceptibilité à l'hydrolyse enzymatique de la cellulose et éventuellement d'hydrolyser la fraction hémicellulosique en sucres monomères. Parmi les nombreuses méthodes de prétraitement qui ont été étudiées, nous en avons identifié trois répondant au mieux aux objectifs précédemment cités : le prétraitement à l'acide dilué, l'explosion à la vapeur avec utilisation d'un catalyseur, et la thermohydrolyse. Ces trois méthodes permettraient d'atteindre des rendements d'hydrolyse enzymatique de la cellulose proches de 100 %, tout en permettant un taux d'hydrolyse des hémicelluloses supérieur à 80 %, et en minimisant la formation de composés de dégradation. L'hydrolyse enzymatique doit encore être améliorée afin de réduire le coût lié à la consommation d'enzymes. Les principales voies de recherche devraient porter sur l'amélioration de l'activité des cellulases, afin de se rapprocher le plus possible de celles d'enzymes telles que les amylases. Le développement du procédé SFS (saccharification et fermentation simultanées) permet d'améliorer l'efficacité des enzymes en minimisant les réactions d'inhibition des enzymes par les produits formés. Son inconvénient est lié aux différences entre les températures optimales de l'hydrolyse enzymatique et de la fermentation. La recherche de micro-organismes conservant de bonnes performances fermentaires à température élevée doit donc se poursuivre. Un autre verrou technologique du procédé concerne la fermentation alcoolique des pentoses, qui peuvent représenter jusqu'à 25 à 40 % des sucres totaux contenus dans la biomasse lignocellulosique. C'est pourquoi il est indispensable de les valoriser en éthanol. Contrairement à la fermentation alcoolique du glucose, largement connue et maîtrisée, celle des pentoses n'est toujours pas résolue en raison des performances fermentaires médiocres des micro-organismes utilisés. Le développement des outils génétiques et les nouvelles voies de recherche portant sur la transformation de Saccharomyces cerevisiae et de Zymomonas mobilis afin de leur faire acquérir la capacité à fermenter les pentoses, devraient permettre d'améliorer les performances, et éventuellement de se rapprocher de celles enregistrées sur glucose par Saccharomyces cerevisiae.
Les bioraffineries éco-efficientes. Un techno-fix pour surmonter la limitation des ressources ?
Économie rurale, 2015
Une bioéconomie éco-eficiente atténuerait, selon ses partisans, les problèmes de limitation des ressources naturelles dus à l'augmentation de la demande mondiale. Une biorafinerie diversiiée et intégrée pourrait transformer diverses sources de biomasse non alimentaire en produits valorisables, offrant ainsi un substitut aux combustibles fossiles utilisable avec les infrastructures actuelles. Cette approche accentue les pressions qui pèsent sur les ressources et avive la concurrence sur le marché pour la fourniture de biomasse à bas prix. Les trajectoires de l'innovation axées sur les biorafineries ont les mêmes moteurs que les schémas actuels de production-consommation qui font progresser la demande mondiale de produits alimentaires, d'aliments pour le bétail, de combustibles, etc. Une transformation plus eficiente et plus lexible de la biomasse accroîtra l'incitation inancière à intensiier l'extraction de ressources, en particulier par l'industrialisation des systèmes agroforestiers. Pour que ce techno-ix fonctionne, il faut que les ressources deviennent moins chères sans coûts pour la société et l'environnement. MOTS-CLÉS : biorafinerie intégrée et diversiiée, limitation des ressources, techno-ix, technologie éco-eficiente Eco-eficient bioreineries: Techno-ix for resource constraints? An eco-eficient bioeconomy has been widely promoted to alleviate resource constraints of rising global demand. An integrated, diversiied bioreinery would convert diverse non-food biomass into valuable products, thus providing input-substitutes for fossil fuels within current infrastructures. This agenda intensiies various resource burdens and market competition to supply cheap biomass. Bioreinery innovation trajectories have the same drivers as the current production-consumption patterns expanding global demand for food, feed, fuel, etc. More eficient, lexible conversion of biomass will strengthen inancial incentives to intensify resource extraction, especially by industrialising agri-forestry systems. Such a techno-ix depends on cheapening resource supplies without paying for their societal and environmental costs.
Les différentes exploitations industrielles des végétaux entraînent souvent la formation de quantités considérables de déchets lignocellulosiques, nommés déchets de biomasse. Le but de ce travail est la valorisation de cette biomasse en produisant du bioéthanol de deuxième génération, il s'agit d'une valorisation optimale de type "bioraffinerie" pour la production des sucres simples fermentescibles à haute valeur ajoutée. Dans le premier procédé qui est l'hydrolyse chimique, la biomasse a été dépolymérisée par un traitement à la vapeur. Ensuite, un traitement par l'acide sulfurique a été effectué pour la saccharification et la libération des sucres simples. Après, et dans le but de réduire les composés phénoliques, le substrat issu a été décanté et filtré puis traité par le dihydroxyde de calcium. Parallèlement, dans un second procédé (hydrolyse enzymatique), la biomasse a été prétraitée par la steam explosion pour rendre tous ces composés accessibles à l'hydrolyse enzymatique. La préparation des enzymes a été obtenue à partir du surnagent du milieu de culture de la souche Trichoderma reesei. En plus, les techniques et les variables d'hydrolyse chimique et biologique (la température, la pression, le temps, la concentration et les conditions de détoxification et de production d'enzyme) ont été optimisés. En conclusion, ce travail a permis de mettre au point un procédé biotechnologique pour valoriser la biomasse solide, afin de diminuer les coûts et d'ajouter une valeur socio-économique à ces déchets.
Piles à combustible utilisant des enzymes et des biofilms comme catalyseurs
La biocatalyse des réactions anodiques ou cathodiques est à l’origine des mécanismes de biocorrosion et fait partie des phénomènes redoutés par les utilisateurs de matériaux métalliques. Cette biocatalyse peut être utilisée de manière positive pour augmenter les vitesses des réactions électrochimiques qui se produisent à l’anode et à la cathode de piles à combustible. À l’heure où les piles à combustible font l’objet de nombreuses recherches pour diminuer leur coût et améliorer leurs performances, la mise en oeuvre de bactéries dans des biofilms ou l’utilisation d’enzymes comme catalyseurs deviennent des solutions alternatives crédibles et galvanisent les recherches en France et à l’étranger.
2012
Le processus de degradation anaerobie de la matiere organique est un phenomene naturel largement repandu sur terre (ex. marais, lacs, rizieres, systemes digestifs d'animaux et humains). Une tres grande diversite microbienne est entretenue durant ce processus, traduisant une diversite de voies metaboliques impliquees. Lorsqu'elle est complete, la digestion anaerobie aboutie a la formation de biogaz (melange de methane et de dioxyde de carbone). En termes de biotechnologie, le traitement par voie anaerobie de pollutions organiques permet de reduire le volume de dechets en generant du methane valorisable sous plusieurs formes (electricite, chaleur, gaz naturel, biocarburant). Cependant, les digesteurs industriels sont optimises pour un fonctionnement a 35°C ou a 55°C, ce qui necessite un apport exogene d'energie de maintenance. Ainsi, les travaux de these se sont interesses a l'etude de la capacite d'adaptation de divers ecosystemes anaerobies industriels couvrant u...
Fabrication d'éthanol par fermentation
Fabrication d'éthanol par fermentation, 2024
La fabrication de l'éthanol par fermentation est un processus biotechnologique qui transforme des matières premières riches en sucre ou en amidon en alcool éthylique. Ce processus commence par le broyage des matières premières, comme le maïs ou le blé, pour en extraire l'amidon. Ensuite, l'amidon est converti en sucres simples qui seront fermentés par des levures pour produire de l'éthanol. Cette méthode de production d'éthanol est utilisée pour créer des biocarburants, contribuant ainsi à la réduction de la dépendance aux combustibles fossiles et à l'atténuation des émissions de gaz à effet de serre.
SUMMARY Urban or indu striai waste water organlc pollution is most otten treated by aérobic biological Systems. In this case, commonly used activated sludge plants need large tanks. Membrane bioreactors would give compactness and very high and constant quality erfluent. Up to now, organic membranes bave been mainly utilized for polishing effluents from conventional secondary treatment. MEMCOR process, using hollow libers membranes, aliows permeate fluxes of 100 l/b.m2 for several months under a 1 bar pressure. Chatze (1990), using inorganic membranes for urban waste water treatment, reached high organic and nitrogen removal. Biomass was about 10 to 20 g/l and permeate fluxes of 20 and 28 l/h.m 2 at 1.1 and 1.4 bar transmembrane pressure with residuals less than 20 ppm COD and SSM and 5 ppm TKN.