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1/35 DIMENSIONNEMENT D’UNE RAFFINERIE DE BIODIESEL PRODUCTION A PARTIR DE DUNAL

1/35 DIMENSIONNEMENT D’UNE RAFFINERIE DE BIODIESEL PRODUCTION A PARTIR DE DUNALIELLA SALINA SUR LE SITE DES SALINS DE GIRAUD Projet d’élève ingénieur Spécialisation Chimie Verte et Bioprocédés Montpellier SupAgro & Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier Septembre 2008 à Mars 2009 Sujet non commandité, conçu à l’initiative de Daniel MATHIEU (pôle Trimatec) Auteurs Partie 1 : Dimensionnement et organisation spatiale des systèmes de culture et de récolte Juliette LANGLOIS………Montpellier SupAgro Charlotte THEVENET……Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier Partie 2 : Post-traitement de la biomasse Aline BOURGE…………. Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier Julie PERSON……………Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier Mélanie SALOMEZ……...Montpellier SupAgro Tuteur école Eric Dubreucq Personnes rencontrées Informations générales sur les microalgues Daniel Mathieu Partie 1 Michel Lemar, Arnaud Muller-Feuga (société Mycrophyt) Alban Mouret (responsable production de sel aux Salins) Partie 2 François René (Ifremer Palavas) Frédéric Charton (CEA) 2/35 Introduction Dans le contexte du changement climatique, de la flambée des prix du baril de pétrole et de l’épuisement des ressources fossiles, l’intérêt des chercheurs se porte depuis quelques années vers la découverte de nouveaux carburants issus de ressources renouvelables avec un impact environnemental moins important. L’attention se porte tout particulièrement sur le biodiesel. Ce carburant présente l’avantage d’être utilisé dans les moteurs diesel existant sans apporter de modification. De plus, il diminue les émissions de polluants gazeux par rapport au gazole d’origine fossile. La production mondiale de biodiesel actuelle utilise différentes source de lipides comme les huiles végétales ou les graisses animales. En Europe par exemple, le biodiesel est principalement obtenu à partir d’huile de colza et de tournesol. Cependant, l’obtention de biodiesel à partir d’huile végétale requiert de l’énergie et une superficie suffisante pour la culture. De même, le biodiesel à partir de graisses animales nécessite de nourrir les animaux. D’un point de vue économique, la production de ce biocarburant est restreinte à cause du coût élevé des matières premières. Enfin il crée la polémique car il est en concurrence avec l’alimentaire. C’est pourquoi les micro-organismes sont considérés comme la ressource alternative la plus prometteuse. Néanmoins il reste encore des verrous à lever avant que les rendements et les coûts espérés soient effectivement atteints et que ces technologies ne puissent voir le jour à grande échelle. Dans la présente étude, nous nous sommes intéressées à ce dernier type de culture : les microorganismes nous ont paru être les plus à même de pouvoir répondre à un objectif de production de 300 000 tonnes de biocarburant sans atteindre des valeurs d’occupation de l’espace ou d’utilisation d’intrants exubérantes. Afin d’effectuer le dimensionnement d’une telle structure de production, nous nous sommes tout d’abord intéressés dans une première partie au potentiel que présente les microalgues, selon les différents modes de culture existants et selon les espèces cultivées. Puis dans un second temps, après nous être fixés un mode de production en raceway de Dunaliella salina sur le site des salins de Giraud (13), nous avons déterminés les caractéristiques structurales des bassins, les quantités d’intrants à injecter dans le système, et nous avons détaillés les principaux paramètres du système. Ces données ont dans tout d’abord été calculées par unité de surface, puis ont été appliquées à l’échelle globale d’une exploitation de 6000 ha. Dans une troisième partie, le détail des technologies de récolte a été développé. Une quatrième partie a consisté à dimensionner les structures à mettre en œuvre pour effectuer le fractionnement des microalgues récoltées et l’extraction des molécules d’intérêt, après s’être penché sur les différentes voies technologiques possibles. Enfin, des éléments qualitatifs de l’impact environnemental de l’ensemble du process a été réalisé. 3/35 Partie I : Choix des micro-algues Les carburants jouent un rôle fondamental dans l’économie actuelle, principalement avec le transport. En Europe une grande partie du pétrole est importée, contribuant au déficit des Etats. Les scientifiques admettent qu’il est dans notre intérêt de développer des énergies alternatives pour réduire notre dépendance aux énergies fossiles. Introduction sur les micro-algues La biomasse est considérée comme une réelle alternative. Depuis 1982, des recherches ont examiné le cas des micro-algues, capables de produire des lipides. Les lipides forment un groupe hétérogène de composés organiques incluant les acides gras et d’autres huiles végétales, pouvant être convertis en substitut pour le carburant diesel ou en essence. Les micro-algues, considérées comme des mini usines biochimiques les plus productives au monde, se développent très rapidement, pouvant tripler voire quintupler leur poids en un jour. Pourtant la photosynthèse chez les micro-algues est semblable à celle des autres végétaux. Le fait que les micro-algues sont particulièrement efficaces pour transformer le CO2 et les nutriments en composés organiques s’explique entre autres de la manière suivante : elles n’ont pas besoin d’élaborer des structures complexes de soutien et de reproduction. Aussi la culture d’organismes unicellulaires dans un environnement liquide leur permet d’accéder directement aux ressources (eau, CO2 et nutriments). Ainsi certaines espèces se développent très vite, d’autres produisent de grandes quantités d’huile, tolèrent de larges variations de température ou sont capables de vivre dans l’eau salée. En plus de l’eau et de la lumière, les micro-algues ont besoin de grandes quantités de dioxyde de carbone pour croître et stocker des lipides en quantités suffisantes pour une production de biocarburant à l’échelle économique. L’utilisation de ce dioxyde de carbone fournit un autre avantage à cette technologie, la réduction des gaz atmosphériques qui contribuent au réchauffement climatique. Les micro-algues sont les êtres les plus primitifs du règne végétal. La plupart des espèces existe sous forme unicellulaire, tandis que certaines s’organisent en colonie. On estime qu’il y aurait entre 200 000 et plusieurs millions d’espèces ; 20 000 ont déjà été identifiées et regroupées sous plusieurs catégories. Quatre d’entre elles comprennent les algues les plus cultivées à grande échelle pour des raisons commerciales. Les algues de la première catégorie, les « bleu-green algae » (Cyanophyta), ont une organisation cellulaire proche des bactéries, avec une cellule dépourvue de noyau. Les trois autres catégories sont constituées d’espèces possédant noyau et chloroplastes. Les « green algae » (Chlorophyta) sont parmi les plus abondantes, surtout en eau douce ; les « golden algae » (Chrysophyta) développent des systèmes pigmentaires complexes les faisant apparaître jaune, marron ou orange. Enfin les « diatomées » (Bacillariophyta) ont une structure très proche des golden algae, à l’exception de la silice présente dans la paroi cellulaire. Actuellement, des micro-algues sont cultivées en Israël, en Australie, au Mexique, à Taïwan et aux Etats-Unis pour des compléments alimentaires. Par exemple, on cultive la Spiruline dans les pays en voie de développement pour sa forte valeur protéique et on extrait le béta-carotène de la Dunaliella salina. Certaines industries utilisent les oméga-3 des acides gras de micro-algues comme complément diététique pour éviter les maladies cardiaques. L’utilisation des micro-algues comme fertilisant pour le sol ou comme nourriture pour élevage de crustacés est de plus en plus importante. Les micro-algues comme ressource énergétique renouvelable 4/35 Les micro-algues fabriquent naturellement des sucres, des protéines et des lipides. Les lipides ont une structure similaire aux carburants liquides, bien qu’ils contiennent plus d’oxygène et sont plus visqueux que le pétrole brut. Le contenu lipidique d’une cellule de micro-algue peut varier de 5 à 75% de matière sèche selon les espèces. Plus que le contenu lipidique, c’est le contenu en triglycérides qui nous importe puisqu’au cours de la transformation en biodiesel seuls les triglycérides sont convertis. L’idée d’utiliser les micro-algues comme source énergétique n’est pas nouvelle. La production de méthane gazeux à partir des sucres de la cellule a été proposée il y a plus de 40 ans. Mais l’utilisation la fraction lipidique de la cellule pour produire du biocarburant est une découverte plus récente. Ce processus suit quatre grandes étapes. Tout d’abord, les micro-algues sont cultivées en grandes quantités dans des bassins, puis transférées dans des bassins favorisant l’accumulation de lipides. Ensuite, on les récolte et on extrait les lipides. A la fin, les lipides sont convertis en carburant. Bien que les lipides représentent la principale source énergétique, l’énergie contenue dans le reste de la cellule peut aussi être utilisée. Nous ne présenterons que les trois premières étapes, représentées sur le schéma suivant, pour le dimensionnement, la transestérification étant un processus bien connu. Figure 1 : Représentation des étapes développées 5/35 Partie II : La culture de Dunaliella salina 1. Le système de culture 1.1. Choix du système de production Quel que soit le système de production, la culture d’algues nécessite une source d’énergie lumineuse, et un apport en dioxyde de carbone et sels inorganiques dans le milieu de culture. Pour cela, on peut soit utiliser des systèmes de culture ouverts sur l’environnement, soit des systèmes fermés. Les deux principales méthodes de production utilisées sont les bassins de type « raceway » pour les bassins ouverts et les photobioréacteurs en système fermé [1]. Nous décrirons succinctement ces deux techniques et aborderons également la production en fermenteurs par hétérotrophie, ainsi que l’utilisation de ces techniques de culture couplées à des programmes de phytoremédiation. Une fois ces technologies décrites, on déterminera quels sont les systèmes de production les plus uploads/Industriel/ stage-microalguesr.pdf