La production de biocarburants de 2 ème génération : des verrous technologiques à lever

technologiques à lever

Les biocarburants de 2ème génération n’ont pas encore atteint le stade industriel et sont au stade de recherche et développement avec des verrous technologiques forts à lever, en particulier pour la production de biocarburants de 2ème _{génération par voie biochimique (DGEC, 2010).}

La production de bioéthanol de 2ème génération par voie biochimique à partir de la lignocellulose contenue dans la biomasse nécessite quatre étapes successives qu’il faut encore optimiser : une étape de prétraitement de la biomasse, une hydrolyse enzymatique de la biomasse prétraitée, une fermentation alcoolique des sucres extraits de la biomasse, et, une distillation pour récupérer l’alcool produit, ici l’éthanol.

Pour produire du biocarburant de 2ème génération par voie biochimique, le challenge réside dans la difficulté à transformer la lignocellulose présente dans la paroi végétale, qui est une structure complexe constituée de trois composants majeurs : la cellulose, les hémicelluloses et les lignines.

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L’organisation structurelle de la cellulose, des hémicelluloses et des lignines, ainsi que les teneurs de ces constituants dans la paroi végétale varient selon la biomasse considérée. Au sein du règne végétal, les teneurs peuvent ainsi aller de 15 à 40 % de la matière sèche pour la cellulose, de 20 à 40 % pour les hémicelluloses, et de 10 à 30 % pour les lignines (Colonna, communication personnelle).

Les propriétés physico-chimiques de la cellulose, des hémicelluloses et des lignines ainsi que leur enchevêtrement dans la paroi végétale de la biomasse lignocellulosique constituent des freins à la transformation :

§ La cellulose est un polymère constitué de chaine de glucoses reliés par des liaisons glucosidiques β-1,4. Les fibrilles de cellulose s’assemblent en macro- et micro-fibrilles reliées par des liaisons hydrogènes pour constituer le squelette de la paroi végétale lui conférant ses propriétés mécaniques (Figure 1-3). L’arrangement des micro-fibrilles peut conférer à la cellulose un fort degré de cristallinité qui pourrait constituer un frein dans l’étape d’hydrolyse enzymatique de la cellulose, cette dernière conduisant à l’obtention de sucres monomères à 6 atomes de carbone (C6) qui seront ensuite fermentés pour produire l’éthanol (Chabbert, communication personnelle).

§ Les hémicelluloses sont les constituants de la paroi les plus importants après la cellulose. Ces molécules contribuent au renforcement de la paroi par leur interaction avec la cellulose et la lignine (Figure 1-3). Leur hydrolyse produit des sucres en C5 (à 5 atomes de carbone) et en C6 potentiellement valorisables en tant que sucres fermentescibles pour produire de l’éthanol. Les hémicelluloses présentent cependant l’inconvénient d’être particulièrement insolubles, créant une barrière hydrophobe autour de la cellulose, et rendant ainsi plus difficile l’accessibilité à la cellulose. De plus, lors du prétraitement, la plus grande sensibilité des unités en C5 des hémicelluloses engendre la production de composés inhibiteurs ou toxiques (tels que l’acide acétique, le furfural ou le 5-hydroxyméthyl-furfural) qui peuvent inhiber l’action des enzymes ou des levures dans les étapes d’hydrolyse et de fermentation (Colonna, communication personnelle).

§ Les lignines sont particulièrement complexes. Cette complexité provient de l’association de 3 monolignols (les alcools coumarylique (H), coniférylique (G) et sinapylique (S)) reliés par différentes liaisons chimiques sans caractère ordonné ni répétitif pour former un polymère amorphe et hydrophobe (Figure 1-3). Elles sont extrêmement résistantes à la dégradation : en formant des liaisons à la fois avec la cellulose et les hémicelluloses, les lignines créent une barrière à toutes les solutions ou enzymes, empêchant ainsi la pénétration des enzymes au sein de la structure lignocellulosique lors de l’étape d’hydrolyse enzymatique. De plus, les lignines sont sensibles aux températures qui peuvent être mises en œuvre dans le procédé, ce qui peut conduire à la formation de composés très inhibiteurs lors de l’étape de fermentation.

§ Enfin, d’autres composés mineurs rentrent dans la composition de la paroi, tels que des éléments minéraux, des sucres solubles, des polyphénols, ou encore des acides phénoliques. Lors du prétraitement, les sucres solubles sont majoritairement dégradés aboutissant parfois à la formation de composés inhibiteurs de la fermentation.

Un des enjeux majeurs de la transformation de la lignocellulose contenue dans la biomasse en bioéthanol de 2ème génération consiste donc à rendre accessible la cellulose et les hémicelluloses contenues dans la paroi végétale lors du prétraitement. La complexité de la lignocellulose nécessite également une optimisation des étapes d’hydrolyse et de fermentation pour maximiser l’efficacité du procédé de transformation. Ainsi, lors de l’étape d’hydrolyse enzymatique, la complexité de la lignocellulose nécessite l’utilisation d’un cocktail enzymatique comportant de nombreuses enzymes pour hydrolyser les polysaccharides jusqu’au stade monomère, C5, ou C6 : à côté des cellulases, utilisées pour hydrolyser la cellulose en sucres C6, le cocktail enzymatique doit comporter d’autres enzymes telles que les xylanases, les xylosidases, les arabinofuranosidases, les mannanases, les galactannases et les carbohydrate estérases, qui sont nécessaires pour dépolymériser tous les polysaccharides (Colonna, communication personnelle). L’inconvénient majeur de cette étape d’hydrolyse est le coût des enzymes : celui des cellulases, mais aussi celui des enzymes précitées. Pour l’étape de fermentation, il s’agit de mettre au point des micro-organismes qui soient les plus efficaces possibles pour fermenter les sucres extraits de la biomasse.

Ainsi, 3 enjeux principaux émergent pour produire de façon efficace des biocarburants de 2ème

génération par voie biochimique :

- L’identification de biomasse lignocellulosique possédant une composition adaptée pour le

procédé (en particulier pour la cellulose, les hémicelluloses et les lignines),

- La mise au point d’un procédé efficace d’extraction des sucres fermentescibles contenus

dans la biomasse permettant de minimiser le coût des enzymes et de maximiser leur efficacité lors de l’étape d’hydrolyse, et,

- L’utilisation de micro-organismes capables de fermenter un maximum de sucres en C5 et en

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