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Bioraffineries : panorama et développement 19/10/2010 ADEME 1 PANORAMA ET POTEN

Bioraffineries : panorama et développement 19/10/2010 ADEME 1 PANORAMA ET POTENTIEL DE DEVELOPPEMENT DES BIORAFFINERIES - OVERVIEW AND POTENTIAL OF DEVELOPMENT OF BIOREFINERIES Octobre 2010 Contrat n° 1001C0005 Etude réalisée pour le compte de l’ADEME par Hugues de CHERISEY, Consultant Coordination technique : Hilaire BEWA, Département Bioressources Direction Productions et Energies Durables – ADEME Angers Bioraffineries : panorama et développement 19/10/2010 ADEME 2 L’ADEME en bref : L'Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie (ADEME) est un établissement public sous la tutelle conjointe du ministère de l'Ecologie, de l’Energie, du Développement durable et de l’Aménagement du Territoire et du ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche. Elle participe à la mise en œuvre des politiques publiques dans les domaines de l'environnement, de l'énergie et du développement durable. L'agence met ses capacités d'expertise et de conseil à disposition des entreprises, des collectivités locales, des pouvoirs publics et du grand public et les aide à financer des projets dans cinq domaines (la gestion des déchets, la préservation des sols, l'efficacité énergétique et les énergies renouvelables, la qualité de l'air et la lutte contre le bruit) et à progresser dans leurs démarches de développement durable. http://www.ademe.fr Toute représentation ou reproduction intégrale ou partielle faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite selon le Code de la propriété intellectuelle (art. L 122-4) et constitue une contrefaçon réprimée par le Code pénal. Seules sont autorisées (art. 122-5) les copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé de copiste et non destinées à une utilisation collective, ainsi que les analyses et courtes citations justifiées par la caractère critique, pédagogique ou d’information de l’œuvre à laquelle elles sont incorporées, sous réserve, toutefois, du respect des dispositions des articles L 122-10 à L 122-12 du même Code, relatives à la reproduction par reprographie. Bioraffineries : panorama et développement 19/10/2010 ADEME 3 SOMMAIRE RESUME ..............................................................................................................................................5 Abréviations et sigles .......................................................................................................................6 I- INTRODUCTION ET OBJET DE L'ETUDE ...................................................................................8 I.1 – CADRE GENERAL DE L'ETUDE ...............................................................................8 I.2 - BIORAFFINERIE, BIORAFFINAGE ET CHIMIE DU VEGETAL ..............................8 I.3 – PRINCIPALES CONCLUSIONS DE L'ETUDE MENEE EN 2005 ........................ 11 I.4 – L'EVOLUTION DU CONTEXTE GENERAL DEPUIS 2005 .................................. 12 II - ANALYSE PAR FILIERE ........................................................................................................... 14 II.1 - LES FILIERES DE L'AMIDON ................................................................................. 14 II.1.1 - ESPECES BOTANIQUES, ORIGINES ET VARIETES CULTIVEES ............ 14 II.1.2 – COMPOSITION DES RECOLTES ................................................................... 16 II.1.3 – IMPORTANCE AGRICOLE ET PRINCIPAUX PAYS PRODUCTEURS ...... 17 II.1.4 – DESCRIPTION DES FILIERES AMIDON ....................................................... 25 II.1.5 – LES PRINCIPAUX PRODUITS DES FILIERES AMIDON ............................ 32 II.1.6 - FORCES, FAIBLESSES, PERSPECTIVES DES FILIERES FRANÇAISES 47 II.1.7 - RECOMMANDATIONS ..................................................................................... 49 II.2 - LES FILIERES DU SUCRE ...................................................................................... 50 II.2.1 - ESPECES BOTANIQUES, ORIGINES ET VARIETES CULTIVEES ............ 50 II.2.2 – COMPOSITION DES RECOLTES ................................................................... 50 II.2.3 – IMPORTANCE AGRICOLE ET PRINCIPAUX PAYS PRODUCTEURS ...... 51 II.2.4 – DESCRIPTION DES FILIERES SUCRE ......................................................... 54 II.2.5 – LES PRINCIPAUX PRODUITS DES FILIERES SUCRE .............................. 62 II.2.6 - FORCES, FAIBLESSES, PERSPECTIVES DE LA FILIERE FRANÇAISE . 67 II.2.7 - RECOMMANDATIONS ..................................................................................... 68 II.3 - LES FILIERES DES HUILES VEGETALES ........................................................... 69 II.3.1 - ESPECES BOTANIQUES, ORIGINES ET VARIETES CULTIVEES ............ 69 II.3.2 – COMPOSITION DES RECOLTES ................................................................... 70 II.3.3 – IMPORTANCE AGRICOLE ET PRINCIPAUX PAYS PRODUCTEURS ...... 73 II.3.4 – DESCRIPTION DES FILIERES HUILES VEGETALES ................................ 75 II.3.5 – LES PRINCIPAUX PRODUITS DES FILIERES HUILES VEGETALES ...... 79 II.3.6 – FORCES, FAIBLESSES, PERSPECTIVES DE LA FILIERE FRANÇAISE 97 II.3.7 – RECOMMANDATIONS .................................................................................... 98 II.4. - LES FILIERES LIGNOCELLULOSIQUES ............................................................ 99 II.4.1 - ESPECES BOTANIQUES, ORIGINES ET VARIETES CULTIVEES ............ 99 II.4.2 – COMPOSITION DES RECOLTES ................................................................. 102 II.3.3 – IMPORTANCE AGRICOLE ET PRINCIPAUX PAYS PRODUCTEURS .... 105 II.4.4 – DESCRIPTION DES FILIERES LIGNO-CELLULOSIQUES ....................... 110 II.4.5 – PRINCIPAUX PRODUITS DES FILIERES LIGNO-CELLULOSIQUES ..... 119 Bioraffineries : panorama et développement 19/10/2010 ADEME 4 II.4.6 - FORCES, FAIBLESSES, PERSPECTIVES DE LA FILIERE FRANÇAISE 132 II.4.7 - RECOMMANDATIONS ................................................................................... 134 III – QUELQUES BIOMOLECULES COMMUNES A PLUSIEURS FILIERES ......................... 135 III.1 - L’ETHANOL ........................................................................................................... 135 III.1.1 – OBTENTION DU BIOETHANOL .................................................................. 135 III.1.2 – LA PRODUCTION DE BIOETHANOL DANS LE MONDE ........................ 136 III.1.3 – LES DERIVES DE L'ETHANOL ................................................................... 141 III.2 - L’ACIDE LACTIQUE ............................................................................................. 143 III.3 - LE 1,3 PROPANEDIOL (C3)................................................................................. 146 III.4 – LES ISOPRENOIDES ISSUS DE FERMENTATION ......................................... 148 III.4.1 - LA PRODUCTION D’ISOPRENE .................................................................. 148 III.4.2 – LA PRODUCTION DE TERPENES BIOCARBURANTS ........................... 149 III.5 - BUTANOL, ISOBUTANOL, ISOBUTENE ........................................................... 151 IV - ELEMENTS TRANSVERSAUX ............................................................................................. 155 IV.1 – LE DEVENIR DES TOP 10 BUILDING BLOCK CHEMICALS DE 2004 ......... 155 IV.2 - SUBSTITUTION AUX PRODUITS FOSSILES, HOMOLOGIE, ANALOGIE ... 159 IV.3 – L'IMPORTANCE DES PARTENARIATS INDUSTRIELS ................................. 160 IV.4 - BIOTECHNOLOGIES ET BIORAFFINERIES..................................................... 163 IV.4.1 – LES OUTILS DES BIOTECHNOLOGIES BLANCHES ............................. 163 IV.4.2 –ROLE DES BIOTECHNOLOGIES DANS LES PROJETS EN COURS .... 171 IV.4.3 –LES BIOTECHNOLOGIES VERTES ............................................................ 173 IV.4.4 – CONCLUSIONS : BIOTECHNOLOGIES ET BIORAFFINERIES ............. 177 IV.5 – BIOCARBURANTS ET CHIMIE DU VEGETAL................................................. 178 IV.6 – RISQUES ET BESOINS DE POLITIQUES PUBLIQUES ................................. 179 IV.7 – EUROPE, USA, BRESIL, ASIE ........................................................................... 181 IV.8 – DEVELOPPEMENT ET FACTEURS CLES DE SUCCES DES BIORAFFINERIES ...................................................................................................................... 182 V – SYNTHESE ET CONCLUSIONS ........................................................................................... 187 V.1 - SYNTHESE GENERALE ....................................................................................... 187 V.II - RECOMMANDATIONS .......................................................................................... 190 ANNEXES ....................................................................................................................................... 192 SCHEMAS DE FILIERE .................................................................................................. 192 DESCRIPTIF SUCCINT D'ENTREPRISES ................................................................... 198 ENTREPRISES DE L'AMONT DE LA FILIERE ........................................................ 199 AGRO-INDUSTRIE ET PREMIERS TRANSORMATEURS DE BIOMASSE ......... 201 INDUSTRIE CHIMIQUE ET PETROLIERE ............................................................... 207 ENTREPRISES DE BIOTECHNOLOGIES ................................................................ 214 Bioraffineries : panorama et développement 19/10/2010 ADEME 5 RESUME Le développement des bioraffineries et de la chimie du végétal s’est accéléré depuis la première version de cette étude, réalisée il y a cinq ans. Les filières céréalières, betteravières et oléagineuses sont parfaitement structurées. Il en est de même de celles qui approvisionnent les usines de pâte à papier. Les autres filières d'approvisionnement en biomasse lignocellulosiques sont en revanche encore dans leur phase de développement. Si l'amont de ces différentes filières reste bien identifié, chacune conservant toutes ses spécificités, les secondes transformations génèrent des molécules plateformes communes qui sont à l'origine des mêmes dérivés. Les biotechnologies blanches connaissent un essor rapide, favorisé par le développement des outils de bioinformatique et de tri à haut débit. Les changements d'échelle restent cependant longs et coûteux et les réalisations industrielles sont encore en nombre limité, hormis dans le domaine du bioéthanol et du biodiesel de première génération. Le développement de plusieurs molécules plateformes avait été anticipé par les experts. Certaines prévisions se sont révélées correctes (glycérol, sorbitol, acide succinique) mais d'autres molécules tardent à être produites avec des procédés innovants (3-HPA, acide levulinique, furanes). A l'inverse, on assiste à des développements "imprévus" de projets industriels de fabrication par fermentation de terpènes et de butanol ou de conversion chimique du bioéthanol en éthylène et dans ses dérivés. Il est recommandé en conclusion de soutenir le développement de la chimie du végétal en s'appuyant sur les réalisations industrielles engagées, y compris celles associées aux biocarburants de première génération. Les filières françaises et européennes ont certains avantages concurrentiels qu'il convient de valoriser dans un petit nombre de projets d'ambition suffisante. EXECUTIVE SUMMARY The development of biorefineries and of plant chemistry has accelerated its development since the first version of this study, done in 2005. The French cereal, sugarbeet and oilseeds production chains are remarquably organized as the ones which supply the pulp industry. The other production sectors of lignocellulosic biomass are still in the steps of development. If each crop production sector is still well delimited with all its own specificities, the secondary processing steps generate identical building block molecules which in turn generate the same derivatives. White biotechnologies show a rapid development at laboratory scale, enhanced by biocomputing and high throughput screening tools. Nevertheless, upscalings are still long and expensive. Therefore, industrial implementations are not so numerous with the exception of the ones of production of first generation biofuels. The development of several building blocks molecules was anticipated by experts. The facts have shown that some of the predictions were correct (glycerol, sorbitol, succinic acid) but other molecules are still expecting innovative production process (3-HPA, levulinic acid, furans). On the contrary some inexpected projects take place of industrial production through fermentation process of terpens, butanol or chemical conversion of ethanol into ethylene and its derivatives. As a conclusion, it is recommended to support the plant chemical development by sustaining industrial enterprises including the ones producing first generation biofuels. The french and theeEuropean agricultural, forestry and industrial chains have some competitive advantadges to be appreciated trough a small number of ambitious projects. Bioraffineries : panorama et développement 19/10/2010 ADEME 6 Abréviations et sigles ACDV : Association de la Chimie du Végétal (France), ADN : acide désoxyribonucléique (molécule support du code génétique) AGPM : Association Générale des Producteurs de Maïs ASA : Alkenyl Succinyl Anhydride BDO : 1,4 Butanediol CA : chiffre d'affaires, CE : Commission européenne, CEDUS : Centre d'Etudes et de Documentation du Sucre CEFIC : Conseil Européen de l'Industrie Chimique CEPI uploads/Industriel/ bioraffinerie2010-110805020509-phpapp01.pdf