Soutenance mémoire
Culture de microalgues
Les microalgues peuvent avoir un métabolisme autotrophe ou hétérotrophe. Un organisme autotrophe est un organisme qui génère par photosynthèse, en utilisant l’énergie lumineuse, sa propre matière organique à partir d’éléments minéraux. Les matières inorganiques utilisées sont généralement le carbone sous forme de dioxyde de carbone, l’azote sous forme de N03- ionique ou de N2 et l’eau douce ou salée. Des nutriments complémentaires sont prélevés dans le milieu (ex. phosphate) pour produire la réaction suivante:
C02 + 6H20 + énergie lumineuse —+ C6H 120 6 + 602
Le glucose C6H120 6 sert à former la matière organique et l’oxygène est rejeté dans l’environnement.
L’ hétérotrophie est le métabolisme des microalgues qui se nourrir de matière organique préexistante comme source de carbone ainsi que comme source d’énergie et de l’oxygène de l’air comme oxydant. Cependant, elles peuvent également vivre en milieu sans oxygène dans un processus de fermentation. La source de carbone provient d’un cycle décomposition lbio synthèse de la biomasse vivante et morte des êtres vivants (végétaux, animaux, champignons et micro-organismes) où d’une partie de cette matière transformée (charbon, pétrole, gaz), minéralisée ou recyclée dans les écosystèmes et agroécosystèmes.
L’ intérêt et la volonté politique pour les algocarburants ont été démontrés dans plusieurs pays par les instances gouvernementales et les entreprises privées. Par exemple, aux ÉtatsUnis, une aide substantielle fut accordée pour le développement de la biomasse algale et un partenariat stratégique entre Exxon Mobil et Synthetic Genomics Inc. (SGI) a investi $600 millions dans un projet de R&D sur les biocarburants axés sur les algues. En mai 2013, SGI a annoncé un nouveau programme de recherche co financé par Exxon Mobil qui mettra l’accent sur l’ utilisation de la science génomique synthétique pour améliorer la production de la biomasse. L’US OOE a annoncé en 2013 un investissement de $13 millions pour accélérer le développement des biocarburants de prochaine génération dans le but de produire des biocarburants à mOInS de $3 par gallon d’ ici 2017 (http: //apps1.eere.energy.gov/news/daily.cfmlhpnewsid=387).Uneinfimefraction, soit 161 tonnes de biocarburants renouvelables par jour, a été produite en 20 Il , sur une consommation mondiale quotidienne de 12 millions de tonnes de pétrole brut (Finley, 2013). li y a de plus en plus d’ intérêt dans le développement durable de systèmes de production de bio13 carburant algal pour relever les défis du changement climatique et la diminution des réserves de combustibles fossiles. Il y a de nombre défis techniques à résoudre avant que la production de biocarburants algaux donne un «Net Energy Return (NER)>> positif et qu’elle soit économiquement viable à l’ échelle industrielle. Une quantité importante de ressources et de capitaux est investis en R&D, tant au niveau de la recherche fondamentale qu’au niveau de la recherche appliquée et industrielle (Lei te et al., 2015; Williams et Laurens, 2010; Goldenberg, 2013). D’ autres exemples de partenariats de R&D sont rapportés dans la littérature. Le consortium Aigenol – Dow, BP – Martek; Shell – HR et Chevron – Solazyme développent des procédés de raffinage de biocarburants et de produits biosourcés. Un investissement de plus de $300 millions est injecté dans la commercialisation des biocarburants algaux par un consortium d’ organisations gouvernementales, commerciales et philanthropiques: Department of Energy (DOE), Chevron, BP, Carbon Trust ainsi que la fondation Rockefeller.
En 2010, The National Alliance for Advanced Biofuels and Bioproducts (NAABB), soit un regroupement de chercheurs des universités américaines et de partenaires privés, recevait du US. Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy (DOE- EERE), et de Bioenergy Technologies Office (BETO), le mandat de développer des méthodes de culture de biomasse al gale économiquement viables pour produire des énergies renouvelables moins polluantes (Bigelow et al., 2011). Au cours de ces dernières années les technologies les plus prometteuses développées par le NAABB sont publiées et rendues disponibles, sans achat de licence, pour les industriels qui investissent dans des infrastructures de production. La culture commerciale des microalgues se retrouve sous différentes fonnes selon les conditions environnementales et économiques du milieu de culture, de la disponibilité des intrants et de la production souhaitée. Les systèmes de culture de microalgues les plus couramment utilisés sont des réacteurs en milieu ouvert ou fenné. Les installations les plus courantes se retrouvent à l’ extérieur ou à l’ intérieur dans des bassins, des tubes ou des poches translucides (Henley et al., 2013). Le choix de l’ installation dépend des conditions du milieu de culture; les températures extérieures et le niveau d’ ensoleillement, qui sont des facteurs détenninants. La culture à l’ intérieur doit être alimentée en photons par de l’ éclairage artificiel dans le spectre d’absorption des chlorophylles, soit d’une longueur d’onde de 400 à 700 nm; le plus souvent par des diodes électroluminescentes (DEL).
Les bassins « raceway avec agitation par roue à aubes » sont fréquemment utilisés pour la culture extérieure dans les zones d’ensoleillement favorables. La société Sapphire Energy établie à San Diego depuis 2007, a construit la première usine expérimentale au monde de production de pétrole vert à partir de la culture de microalgues. Mieux connue sous le nom de bioraffinerie intégrée d’algues ou IABR, l’ usine de démonstration de Las Cruces Nouveau- Mexique NM fonctionne depuis 2008 sur un terrain de 22 acres. La construction d’une usine pilote de production commerciale a débuté en juin 20 Il et fonctionne maintenant à Luna, près de Columbus. L’ intégration de la chaîne de valeur du carburant à base d’algues de la culture à la récolte et à la conversion est un exemple de la convergence de la biotechnologie, de l’agriculture et l’ énergie. L’ usine employait en février 2014 plus de 150 employés pour une production de 100 barils par jour de pétrole vert. La production à échelle industrielle est prévue pour 2018 et devra pour être compétitive avec les pétrolières livrer un minimum de 5 000 barils par jour de «brut vert» ayant les propriétés du pétrole sédimentaire.
Photosynthèse et C02
Que ce soit en autotrophie ou hétérotrophie, l’ énergie lumineuse est nécessaire à la photosynthèse.
La source la plus abondante et gratuite est le rayonnement solaire. Par contre les surfaces exposées doivent être énormes, compte tenu de l’ efficacité du processus. (Hughes, 20 Il). En laboratoire, dans des conditions contrôlées, il faut 10 moles de photons pour fixer une mole de C02. Si l’on considère qu’en moyenne, une mole de carbone dans la cellule correspond à une énergie de 475 kJ, et qu’une mole de photon a une énergie moyenne de 217 kJ, le rendement moyen théorique de la photosynthèse est de 22%. Seulement 45 % du spectre solaire est exploitable par les photosystèmes (principalement dans spectre du rouge au bleu de longueur d’onde de 400nm à 700nm). Le rendement maximal de la photosynthèse par rapport à lumière solaire est donc au mieux de 9.9% (Creek, 2011).
Dans la nature, la photosynthèse régularise la concentration du C02 dans l’ atmosphère, qui est responsable de l’ équilibre précaire de la température et de la qualité de l’ atmosphère. Le phytoplancton marin est responsable de plus de la moitié de la fixation totale du C02 sur notre planète, et les cyanobactéries, qui comptent parmi les formes vivantes les plus anciennes, furent même à l’ origine d’un phénomène connu sous le nom de «grande oxydation », il ya environ 2,4 milliards d’années: une crise climatique inverse de celle qui nous menace aujourd’hui, avec un déséquilibrage de l’ atmosphère au profit de l’oxygène.
Cycle du C02 et réduction des gaz à effet de serre
Dans un milieu aqueux le C02 dissous est par photosynthèse absorbé par les microalgues. Cette biomasse algale peut être récoltée et séchée à coût raisonnable à un taux d’humidité de 80 à 95 % et transformée directement après la récolte en biocarburants composés d’ éthanol, méthane, hydrogène et des hydrocarbures.
Nutriments
Une partie importante des coûts pour la production de la biomasse algale est attribuable à l’ utilisation de l’eau et à l’ajout de nutriments. Dans un récent rapport (Développement durable des biocarburants aux États-Unis, 2012), le National Research Council of the National Academies a conclu que pour atteindre un objectif raisonnable et soutenable de produire 5% de la consommation annuelle américaine de carburant pour le transport des biens et des personnes, il faudrait produire annuellement quelque 40 milliards de litres de biocarburant algale. Les quantités d’eau de culture et les nutriments nécessaires pour cette modeste production seraient d’au moins 123 milliards de litres d’eau, 6 millions de tonnes d’azote et de 1 million de tonnes de phosphore. Sans recyclage, pour générer suffisamment d’eaux usées et de nutriments, il faudrait respectivement 1 fois, 4 fois et 5 fois les rejets de l’ensemble de la population américaine. Il s’ agit d’un objectif tout à fait irréalisable sans le recyclage de l’eau et des nutriments nécessaires à la culture. Les eaux usées municipales sont parmi les plus prometteuses pour la fourniture de l’eau et des nutriments (azote, phosphore et oligo-éléments) requis pour la croissance des algues. (Kropat et al., 2011). L’ utilisation des eaux usées pour la culture algale fait l’objet de nombreuses études, pour développer des alternatives à l’ utilisation déraisonnable d’eau douce, surtout dans les régions de climats arides, et à l’achat dispendieux de nutriments. De plus l’ industrie du traitement des eaux s’ intéresse à des technologies complémentaires qui permettraient de réduire la teneur en azote et en phosphore dans les rejets d’eaux usées.
Dans le cadre de la recherche sur les biocarburants de NAABB, trois études adressent cette problématique. La première étude est d’évaluer l’ effet sur les algues de la toxicité des métaux et des autres contaminants contenus dans les eaux usées. Les deux autres études sont sur l’évaluation des différents types d’eaux usées provenant des usines d’ épuration de l’ Arizona et sur des eaux usées municipales et industrielles d’ autres régions semi-arides du SudOuest américain. Ces recherches ont démontré, que pour produire à l’ échelle commerciale 4-6 kg de biodiésel il faut utiliser 3700 kg d ‘ eau, 0,3 kg d’azote, et 0,7 kg phosphate alors que la grande quantité d’eau requise pour le procédé d’ extraction à l’eau chaude d’un baril de pétrole des sables bitumineux est de 2 à 5 barils d’eau douce contaminée qui se retrouve dans d’immenses basins de stockage.
Encore une fois les conclusions sont les mêmes: sans l’ utilisation et le recyclage des eaux usées municipales et la récupération des nutriments, on ne peut satisfaire aux besoins nutritionnels des microalgues pour la production de biocarburants à grande échelle. Pour faire des biocarburants une source d’énergie durable, il faut limiter la puise d’eau dans les grands cours d’eau, car cela entraînerait un assèchement des sols et une baisse de la nappe phréatique, et récupérer les nutriments nécessaires à la culture.
Récolte de la biomasse algale
Une fois la souche d’algues et le système de culture appropriés sont sélectionnés, un procédé de récolte doit aussi être mis en place pour récolter, concentrer et assécher partiellement la biomasse algale. À partir de concentrations d’algues (poids sec/poids humide) très diluées, généralement autour de 0,05 % pour la croissance autotrophe jusqu’ à 0,2 % pour la croissance hétérotrophe, la déshydratation est nécessaire avant tout traitement de la biomasse (Wu et Shi, 2007; Gouveia et Oliveira, 2008; Molina Grima et coll., 2003; Mata et al., 2010; Zhu et Ketola, 2012). Puisque la récolte de la biomasse algale implique la gestion d’une grande quantité d’eau, en plus du recyclage des eaux résiduelles et des nutriments, cette étape représente des coûts importants dans le processus de production de biocarburants.
L’ efficacité de la récolte est l’un des principaux facteurs dans le développement des biocarburants en raison de la forte consommation d’énergie nécessaire avec les méthodes actuelles de concentration. En effet, cette étape peut représenter 20 à 30 % du coût total de production (Uduman et al., 2010).
La récolte des microalgues est habituellement un processus en deux étapes ; la première étape est une concentration à l’aide des techniques communes, telles que la sédimentation, la flottation, la filtration et la centrifugation. Ces méthodes concentrent la biomasse algale à une teneur en matière sèche de 2 à 7 % (Gouveia, 20 Il). De résultats supérieurs, de 15 à 20%, sont obtenus avec des procédés électrolytiques, d’osmose inversée et de floculation chimique et ionique.
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Table des matières
Avant-propos
Remerciements
Résumé
Mots Clés
Table des Matières
Liste des Figures
Liste des Tableaux
Liste des Abréviations
Chapitre 1 – Introduction
1.1 Contexte général de l’énergie
1.1.1 Les réserves en énergies fossiles conventionnelles
1.1.2 Évolution de la demande en énergie
1.1.3 Réduction des émissions de gaz à effet de serre
1.1.4 Les sources alternatives au pétrole
1.2 Contribution des biomasses dans le bilan énergétique
1.3 Microalgues et algoraffinage
1.3.1 Souches de microalgues
1.4 Culture de microalgues
1.4.1 Photosynthèse et C02
1.4.2 Cycle du C02 et réduction des gaz à effet de serre
1.4.3 Nutriments
1.5 Récolte de la biomasse algale
1.5.1 Technologies de base
1.5.2 Technologies novatrices
1.5.3 Origin Clear Inc
1.6 Traitement et conversion de la biomasse
1.7 Procédé RT Algae
1.8 But, hypothèses et objectifs de recherche
Chapitre 2 – Matériels et méthodes
2.1 Méthodologie
2.2 Souches de microalgues et production de la biomassealgale
2.2.1 Consortium VERTECH
2.2.2 Algues filamenteuses indigènes
2.3 Cellule d’électrocoagulation EcothorMD
2.4 Décantation de la biomasse algale et prélèvement
2.5 Filtration avec aspiration sous vide partiel
Chapitre 3 – Résultats
3.1 Paramètres
3.2 Récolte de la biomasse du consortium VERTECH
3.3 Récolte de biomasse du consortium d’algues filamenteuses indigènes
3.4 Utilisation de peroxyde d’hydrogène
3.5 Intégrité de la paroi cellulaire des algues
3.6 Temps de traitement
3.7 Période de décantation
3.8 Facteur énergie
Chapitre 4 – Conclusions
4.1 Variation du voltage en fonction du temps detraitement
4.2 Influence de la concentration des nutriments
4.3 Intégrité de la paroi cellulaire des algues
4.4 Avantages et désavantages de l’électrocoagulation
4.5 Bilan économique
4.6 Perspectives
Bibliographie
Annexe l
À propos de la souche VER TECH et de son milieu de culture
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