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Production de biocarburant pour automobile à partir de micro-algues Préparé par

Production de biocarburant pour automobile à partir de micro-algues Préparé par: BACH TARZI Khaled MOKRANI Selima Senda Introduction Les biocarburants contribuent à diversifier les sources d'énergie dans les transports, à réduire la dépendance au pétrole. En réduisant les émissions des gaz à effet de serre, les biocarburants offrent un réel potentiel. Cependant, leur impact énergétique et environnemental font l'objet de nombreux débats. Plan I. Biocarburant II. Matière première III. Procédé de production et utilisation IV. Discussion et perspectives Biocarburant Biocarburant de IIIe génération:  à base de lipides;  extrait à partir des micro-algues;  biodiesel, bioéthanol, biokérosène, biogaz, biohydrogène, butanol, etc. suivant le procédé choisi. Algocarburant Matière Première Algues microscopiques (1-10 µm) unicellulaires, dont la croissance est rapide. Abondantes dans les milieux aquatiques. Naturellement riches en lipides, principalement sous forme de triglycérides. Ont une forte activité photosynthétique: Micro-algues lipidiques Micro-algues Canne à sucre Efficacité photosynthétique Jusqu’à 9% 6% Source: Rencontres CEA-Industries 12 Décembre 2012 Matière Première Métabolisme autotrophe:  source de carbone: carbone inorganique (CO2 et HCO3 -);  source d’énergie: lumière du soleil (photons). Métabolisme hétérotrophe:  source de carbone et d’énergie: carbone organique (ex: nutriments), à l’abri de la lumière. Métabolisme Procédé de Production Sélection: selon la richesse en huile Culture: grands bassins de plein air, photo-bioréacteurs ou fermenteurs Récolte, extraction de l’huile: centrifugation/ lyse thermique…etc. Conversion en biocarburant: trans- estérification/ hydrogénation…etc. Procédé de Production Les micro-algues sont préalablement sélectionnées selon leur teneur lipidique qui peut atteindre 80% de la matière sèche. Remarque: généralement la teneur en lipides est entre 20 et 50%. Environ 300 espèces (sur un ensemble de 200.000-800.000) ont été identifiées pour leur richesse en huile. Sélection Procédé de Production Il existe trois types de culture pour micro-algues:  système ouvert: bassins à ciel ouvert;  système fermé: photobioréacteurs, fermenteurs.  système hybride Les conditions de culture sont:  autotrophes: eau, sels minéraux, CO2 et lumière;  ou hétérotrophes: sucres (ex: eau usée), à l’abri de la lumière. Culture Culture Milieux: bassins aériens ou photo-bioréacteurs. Inconvénients:  production faible en huile;  sinon, faibles % de croissance micro-algale;  lipogenèse affectée par le manque de lumière;  besoin en eau élevé, lié aussi à l’évaporation;  contamination (poussière…)  stérilisation. Solution: utiliser le photo-bioréacteur, un milieu entièrement contrôlé et sécurisé. Culture autotrophe Photo-bioréacteurs (IGV Biotech) Bassin de plein air, au Nouveau-Mexique (Joule Unlimited) Culture Milieu: fermenteurs de volume 80-200 m3. Avantages:  productivité et densité algale améliorées;  contrôle du procédé: pH, T°, [O2], agitation;  stérilisation possible  contamination évitée. Culture hétérotrophe Bassin ouvert Fermenteur Biomasse algale (g/L) 0.5-1.0 20-100 Source: Pienkos et Darzins (2009); Borowitzka (1998) Fermenteur, à New Delhi (Biomate India Pvt Ltd) Procédé de Production Les micro-algues produisent des lipides, principalement des triglycérides. Les micro-algues ont une très bonne productivité lipidique: Production d’huile Maïs Soja Jatropha Palmier à huile Micro-algues Production d’huile (L/ha) 172 446 1.892 5.950 20.000-60.000 Source: Micro-algues et biocarburants de troisième génération (Florian Delrue, CEA) Procédé de Production Les algues sont séparées de l’eau du milieu régulièrement, suivant différentes méthodes: La choix dépend de la concentration en biomasse et du diamètre des micro-algues. Récolte coagulation- floculation / sédimentation coagulation- floculation / flottation centrifugation filtration séchage thermique séchage solaire Récolte Principe: rétention des micro-algues de très faible densité à travers une membrane. Cependant, la succion exercée par la pompe entraîne fréquemment l’obstruction de la membrane  volume traité limité. Solution: pompe exerçant une pression au- dessus du filtre ou couteaux rotatifs anti- agglomérats  plus de volumes traités. Filtration Récolte Principe: séparation des micro-algues de leur milieu de culture par application d’une force centrifuge. Avantage: concentration des micro-algues (aspect pâteux). Centrifugation [Biomasse]initiale: 10-20 g/L [Biomasse]finale: 100-200 g/L Récolte Principe: agglomération de la biomasse algale par ajout de floculants  formation de flocs algaux, facilement récoltés. Floculants: chlorure d’aluminium (AlCl3) et de fer III (FeCl3). Inconvénients: les floculants coûtent cher et il devient impossible de générer des coproduits. Floculation Procédé de Production Avant de procéder à l’extraction des huiles, il est parfois nécessaire de recourir au séchage de la biomasse. Étape très énergivore. Solution: utiliser des techniques d’extraction à partir de biomasse humide. Séchage Procédé de Production Étape cruciale affectant la rentabilité du procédé, fait appel à plusieurs techniques: Extraction des lipides traitement au solvant liquides ioniques champs électro- magnétiques ultrasons micro-ondes actions mécaniques Extraction Effectué seul suite au séchage  70-75 % de l’huile (algues récoltées) est récupérée. Effectué en combinaison avec l’extraction par un solvant (hexane)  95 % de l’huile (algues récoltées) est récupérée. Pressage mécanique Extraction Le CO2 est liquéfié par application d’une pression importante et par chauffage  propriétés d’un gaz et d’un liquide. Conditions: 44 °C; 90 min; 28 MPa; QCO2=0.79 kg/h. Avantage: 97% d’huile récupérée à partir des micro-algues récoltées. Inconvénient: coût élevé lié aux appareils. CO2 supercritique Extraction Principe: provocation d’une réduction de la pression osmotique  rupture des parois cellulaires des micro-algues. Choc osmotique Extraction Principe: dégradation des parois cellulaires des micro-algues. Inconvénient: réaction plus dispendieuse que celle à partir de l’hexane. Enzyme Conversion en biocarburant Procédé de Production Transestérification Hydrogénation catalytique Réaction de l’huile algale avec du méthanol/éthanol Produit: ester d’huile algale (« biodiesel ») Réaction de l’huile algale avec de l’hydrogène: Hydrocraquage des molécules insaturées Produit: hydrocarbure Conversion en biocarburant Procédé de Production Voie biochimique Voie thermochimique Hydrolyse enzymatique: libération des sucres Fermentation des sucres par des micro-organismes Produit: éthanol Liquéfaction de la biomasse: 250-350 °C; 100-200 bar; pas d’oxygène Produit: hydrocarbure Procédé de Production (Crédit: IFPEN) Utilisation Mélangé au gazole (7% en volume: B7). Biodiesel Hydrocarbure Incorporé en quantité importante au gazole ou au kérosène. Bioéthanol Mélangé au sans plomb (5% en volume: SP95). Exemple Micro-algues à métabolisme hétérotrophe: Sélection Exemple Un système fermé: fermenteurs. Culture Récolte Sedicanter® (Flottweg), procédé à 2 étages: Pré-concentration de la suspension algale (bac statique) Extraction de l’eau du pré-concentré algal (centrifugation) Exemple Sedicanter® présente des avantages:  concentré algal déshydraté à 25% de la teneur en solides  coûts de déshydratation réduits;  centrifugation conduite sur le pré-concentré algal  coûts d’exploitation (eau, énergie…) réduits de 60%;  coûts d’investissement réduits de 25%. Récolte Coûts d’exploitation et d’investissement réduits sur la base de 120 m3/h en sortie du réacteur. Sedicanter®, procédé de récolte (Crédit: Flottweg) Concentré d’algues (Sedicanter® de Flottweg) Exemple Système continu de micro-ondes: 1.2 kW, 2450 MHz. Chauffage de la suspension algale à 80-95 °C, pendant 30 min, en présence d’hexane. Rendement d’extraction maximal: 76-77%. Analyse de l’huile extraite par GC: taux élevé en acides gras essentiels et en acides gras insaturés. Extraction des lipides Schéma d’un système de micro-ondes (Richardson Electronics, IL, USA) Exemple L’extraction par micro-ondes a plusieurs avantages:  chauffage rapide  temps d’extraction réduit  requiert peu ou pas de solvants  économique et écologique Extraction des lipides Exemple Transestérification:  Schéma de la réaction:  Réactifs: huile extraite des micro-algues + méthanol;  Catalyseur: chimique ou enzymatique. Conversion en biocarburant Conversion en biocarburant Méthanol:  pas assez nucléophile pour attaquer l’huile algale;  peut être utilisé dans des conditions supercritiques (350 °C; 19 MPa; 400 s)  95-96% de conversion Réactif Conversion en biocarburant Hydroxyde de potassium (KOH):  se dissout facilement et rapidement;  produit une glycérine résiduelle moins toxique;  1.4x la quantité de NaOH;  coûte plus cher que l’hydroxyde de soude. Conditions: 100 °C pendant 1h. Résultats:  rendement: 89.7% (g/g d’huile algale);  coût: 25 $/tonne de biodiesel. Catalyseur Conversion en biocarburant Lipase:  lipase Candida sp. 99-125;  enzyme immobilisée sur une résine macroporeuse;  30% (g/g de lipide, 12.000 U/g de lipide). Conditions: 38 °C pendant 12 h. Résultats:  rendement: 98% (g/g d’huile algale);  coût: 236-836 $/tonne de biodiesel. Catalyseur Comparaison des différentes technologies de production de biodiesel (I.M. Atadashi et al., 2011) Exemple La transestérification suit différentes étapes: Conversion en biocarburant Estérification de l’huile algale avec le méthanol (KOH) Élimination du méthanol en excès (distillation sous-vide) Neutralisation du glycérol avec l’acide phosphorique Séparation du glycérol brut / biodiesel (centrifugation) Exemple Incorporé directement dans su diesel à la pompe (7% en volume). Réduit de 70-75% les émissions de GES par rapport au pétrodiesel. Maintient propres le réservoir, les conduits et le système d’injection du véhicule. Plus lubrifiant que le pétrodiesel  durée de vie du moteur prolongée. Biodiesel Discussion Meilleur que les biocarburants de Ie et IIe génération. Bilan énergétique Discussion Coûts lié à la culture algale:  50% du coût de production pour un photo- bioréacteur;  30% du coût de production pour un système ouvert. Solution: utiliser des déchets organiques comme source de nutriments (eaux usées) et des sources industrielles de CO2. Bilan économique Discussion Coûts lié à la récolte et au séchage des micro- algues:  50% des dépenses énergétiques. Solution: diminuer la consommation d’énergie. Bilan économique Discussion Coûts de production élevés:  5-10 € le litre de biocarburant, 100-300 $ le baril  surcoût (HT) de l’éthanol / l’essence: 50-80%;  surcoût (HT) du biodiesel / gazole: 30-75%. Remarque: si le baril de pétrole atteint les 150 $ et que la uploads/Industriel/ production-de-biocarburant-a-partir-des-micro-algues.pdf