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En mission avec les scientifiques du CEA 15 biocarburants FÉVRIER 2016 Ça roule

En mission avec les scientifiques du CEA 15 biocarburants FÉVRIER 2016 Ça roule avec les algues Inclus dans le mix énergétique, les biocarburants s’avèrent intéressants pour limiter l’utilisation des combustibles fossiles et ainsi réduire les émissions de gaz à effet de serre. Focus sur ces algues pleines d’énergie ! > Dans la nature > Du bécher au photobioréacteur > Mots croisés p R B D E V E L O P P E M E N T I T O B I O C A R B U R A N T C D S U I T L V L I P I D E T E H A U R M O L E C U L E A R S T C C H E L I O B I O T E C A I T S N D É Y R E C H E R C H E N S B I O R E A C T E U R G H R T H E S E A S S A L G U E 2 9 3 10 4 11 5 12 6 13 7 14 8 15 1 p. 2-3 p. 4-5 p. 8 © P.Avavian/CEA Ça roule avec les algues Dans la nature L’accroissement de la popula- tion mondiale, la diminution des réserves de combustibles fossiles et les enjeux du chan- gement climatique (notamment la réduction des gaz à effet de serre) poussent les chercheurs à explorer de nouvelles pistes de production d’énergie. La biodiversité des organismes photosynthétiques est énorme ; ils vont de la bactérie… au bao- bab ! Si les plantes nous sont plus familières, le plancton végétal des océans est respon- sable de plus de la moitié de la photosynthèse. Ce phénomène n’a besoin que du Soleil comme source d’énergie. Les micro-algues constituent un réservoir de biodiversité à peine exploré. Alliée à la compréhen- sion du phénomène de la photo- synthèse, leur culture à grande échelle devrait aboutir à la mise au point de procédés propres et durables de production de bio- carburants. Une biodiversité à explorer La photosynthèse • Animation sur la photosynthèse réalisée dans le cadre du webdocumentaire « Odyssée de la lumière » http://portail.cea.fr/comprendre/enseignants/Pages/ressources- pedagogiques/webdoc/odyssee-lumiere/lumiere-vitale.aspx • Conférence cyclope junior - « Les cyanobactéries : des origines de la vie à la conquête de l’espace » http://portail.cea.fr/comprendre/enseignants/Pages/ressources-pedagogiques/ videos/SVT/cyanobacteries-origines-vie-conquete-espace.aspx + + + + L ’INFO+ En savoir + L ’essentiel sur « Les biocarburants » http://portail.cea.fr/com prendre/Pages/energies/ renouvelables/essentiel- sur-biocarburants.aspx Chiffre-clé : En France, un tiers des émissions de CO2 est dû aux transports ! TOUT SAVOIR Ces organismes appartiennent au règne des protistes, qui comprend de nombreux groupes. Les micro-algues peuvent se développer dans de l’eau de mer ou de l’eau douce. Elles produisent leur matière par photosynthèse (comme tout végétal). Certaines d’entre elles sont capables de se développer à partir de nutriments extérieurs (comme les animaux). L’utilisation de lumière et simultanément celle d’une source extérieure de carbone s’appellent la mixotrophie. La photosynthèse est un processus naturel. Les molécules de chlorophylle sont contenues dans les chloroplastes de la cellule végétale, sorte de petite usine chimique qui transforme l’éner- gie lumineuse en carburant pour les plantes. La lumière captée par la chlorophylle permet, avec un apport d’eau, de transformer le gaz carbo- nique de l’air en sucre et en oxygène. C’est la photosynthèse, source de la croissance des plantes et de l’oxygène nécessaire à une grande partie de la vie terrestre. Par ce phénomène, chaque année, plantes et micro-algues utilisent l’énergie solaire pour capter et transformer 9 milliards de tonnes de carbone, contenu dans le gaz carbo- nique de l’atmosphère terrestre, en biomasse. YTGHTRHLEXIQUETGHKB Acide gras : Longue chaîne de car- bone plus ou moins saturée. Alcanes : Hydrocarbures saturés. Ils ne sont constitués que d’atomes de carbone (C) et d’hydrogène (H). Biomasse : Matière végétale vivante présente à la surface de la Terre. Protiste : Organisme vivant uni- cellulaire à noyau. IIILES MICRO-ALGUESIII Carte satellite des îles Marquise - Les tourbillons de couleur indiquent la présence de plancton. Le rouge représente les zones les plus concentrées en phytoplancton. L’orange, le jaune et le vert une concentration décroissante. Le bleu, une absence de plancton en surface. Des molécules d’intérêt Les micro-algues ont une forte capacité à synthétiser des molécules d’intérêt : hydrogène, alcanes,, amidon et acides gras . Elles accumulent ces derniers sous forme de réserves en lipides (jusqu’à 60 % de leur poids sec). Celles-ci sont utilisées dans des applications telles que les biocarburants, la nutrition (oméga 3) et la chimie verte (lubrifiants…). ! 2 3 © S.Nicaud/CEA/Tara expédition © Opixido Fermentalg Fermentalg est une so- ciété de biotechnologies industrielles spécialisée dans la production de molécules à partir de micro-algues. Ces molécules se retrouvent dans des produits du quotidien, de l’alimentation ani- male aux cosmétiques en passant par la nutri- tion humaine. Une ligne pilote de production à grande échelle d’huile et de protéines issues de micro-algues verra le jour en 2016. Gagner en productivité Etape 2 : Contrôler les conditions de croissance Les micro-organismes sont mis en culture ; ils sont plongés dans des flacons remplis de liquide nutritif (les photobioréacteurs), de quelques jours à plusieurs semaines en continu. Ils mesurent de 2 à 10 micromètres selon les espèces et leur culture se présente sous forme d’une suspension liquide de couleur verte ou brune. Les chercheurs contrôlent la teneur en gaz carbonique, la lumière, la température et le pH, ils font aussi varier les apports nutritifs. Ils étudient la croissance et la productivité des micro-organismes, l’évolution de leur métabo- lisme et analysent la quantité et la qualité des lipides produits. Etape 4 : Production à plus grande échelle • La récupération des lipides contenus dans les micro-organismes se fait en plusieurs étapes : centrifugation, séchage, extraction par solvant. L’huile récoltée est enfin transformée en biocarbu- rant selon des procédés industriels éprouvés. • L’hydrogène et l’éthanol, qui diffusent directe- ment dans le milieu de culture, nécessitent des réacteurs étanches qui les emprisonnent et per- mettent leur récupération. Du bécher au photobioréacteur YHLEXIQUETGHKBahdreufmlw Cultures de Chlamydomonas reinhardtii vues au microscope optique. La goélette Tara lors de son escale à Lorient en 2012. Cellules de Chlamydomonas reinhardtii vues au microscope optique. Gros plan sur des cellules de Phaeodactylum Tricornutum. Dès 1890, l’ingénieur allemand Rudolf Diésel a mis au point les mo- teurs à combustion et les machines à vapeur fonctionnant à l’éthanol produit à partir de végétaux. + + + + L ’INFO+ Criblage haut débit : Ensemble de techniques (robotique, logiciels d’analyse...) permettant au chercheur d’effectuer un grand nombre d’analyses (biochimiques, génétiques ou pharmacologiques) dans une courte période de temps. Cyanobactérie : Bactérie capable de réaliser la photosynthèse oxygénique (productrice d’oxygène). Excréter : Rejeter, évacuer des sécrétions. Génome : Ensemble du matériel génétique d’un organisme vivant, codé dans son acide désoxyribonucléique (ADN). Séquencer : Déterminer la séquence des gènes, effectuer le séquençage de l’ADN constituant le génome complet. La première génération de biocarburants utilise les plantes riches en sucre (comme la betterave) ou en amidon (pomme de terre) pour produire de l’éthanol qui sera mélangé à l’essence, à hauteur de 10 % pour le 95 E10. Les plantes riches en huile (tournesol ou colza) sont transfor- mées en biodiésel, dont 5 % sont ajoutés au diésel. Pour éviter la compétition avec les besoins alimentaires, la deuxième génération a recours à des ressources végétales non valorisables, comme les résidus forestiers, agricoles (tiges de maïs) et les déchets organiques (boues des stations d’épuration). La troisième génération est encore à l’état de recherche. Il ne sera plus néces- saire d’utiliser des plantes ! Des micro-organismes photosynthétiques pro- duiront des biocarburants dans des photobioréacteurs et des cultures à ciel ouvert. La combustion de ces biocarburants d’origine algale n’émet pas plus de CO2 que celui capté au cours de la culture par photosynthèse ; offrant un bilan carbone plus favorable qu’avec des carburants fossiles. Trois générations de biocarburants Etape 3 : Manipulations génétiques • Les techniques d’ingénierie métabolique permettent d’optimiser les souches de micro-algues en agissant sur leur génome. Plusieurs objectifs : faciliter l’ex- traction des huiles, en augmenter la production ou cibler un lipide particulier : à chaque longueur de chaîne carbonée son usage (de 12 atomes de carbone à 20 pour le biodiésel et de 10 à 13 atomes de carbone pour le kérosène). • Des chercheurs ont extrait le gène de la levure responsable de la fabrication de l’éthanol à partir de glucose lors d’une fermentation. En l’injectant à des cyanobactéries, comme la Synechocystis, celles-ci produisent de l’éthanol qui diffuse à travers leur paroi vers le milieu extérieur. Etape 1 : Sélection Grâce à un système de criblage haut débit, les chercheurs déterminent la quantité et la composition des lipides produits par des micro-algues, naturelles ou obtenues par mutations génétiques. Il existe plusieurs souches d’algues qui servent aujourd’hui de référence, telle que Chlamydomonas reinhardtii (une algue d’eau douce) ou Phaeodactylum Tricornutum (une diatomée qui se développe dans les océans). lls sélectionnent les souches les plus productives parmi des uploads/Science et Technologie/ journaldessavanturiers-15web 1 .pdf