Technologies de post-traitement

Le post-traitement inclut les différentes étapes de transformation et purification des algues après récolte ou sous- produits des algues obtenus après extraction. Les technologies susceptibles d’être employées sont variées et dépen- dantes du type de produit visé, de la quantité et qualité de la biomasse algale ou des molécules d’intérêt extraites, ainsi que de considérations économiques.

Ces procédés reposent sur des principes physicochimiques, biochimiques ou encore thermochimiques différents. Peuvent être distingués les procédés de transformation et/ou purification de molécules d’intérêt préalablement ex- traites des micro-algues et les procédés de transformation des algues entières ou des résidus d’extraction.

2.1.5.1 Transesterification

Procédé physicochimique. Certains lipides, les triglycérides (TGD), vont réagir avec du méthanol pour produire des ester méthylique (biodiesel) et du glycérol en présence d’un catalyseur. La glycérine et le biodiesel sont séparés puis séparément purifiés. L’alcool et le catalyseur sont séparés des résidus de purification et recyclés en tête de procédé.

Figure 17 – Réaction de transesterification, transformant des lipides (triglycérides) en biodiesel (et glycérol)

AVANTAGES INCONVENIENTS

Voie la plus mature, utilisée pour produire du biodiesel à partir d’huiles issues d’autres biomasses (huile de palme, de colza, etc.) Réaction chimique relativement simple Haut rendement : 98%

Bonne cinétique: production de carburant sous certaines conditions en environ 2 heures

Co-production de glycérol valorisable

Ne valorise que les TGD (pas les glyco- et phospholipides), néces- site une forte sélectivité du procédé d’extraction pour les TGD Nécessite l’optimisation des conditions de culture vers le stockage de lipides, généralement au détriment de la productivité

Ne fonctionne bien qu’avec une huile peu riche en acides gras libres (« free fatty acids » ou FFAs) i.e. raffinées, car les FFAs sont convertis en savon, diminuent le rendement, peuvent entraver la réaction et rendent la récupération du glycérol plus difficile La présence d’eau diminue le rendement (hydrolyse)

MATURITE POTENTIEL

Commerciale Potentiel élevé

2.1.5.2 Fermentation alcoolique

Procédé biochimique durant lequel les sucres simples extraits des algues subissent une fermentation alcoolique impli- quant des micro-organismes (généralement des levures ou des bactéries) et des enzymes. Des carbohydrates plus complexes comme l’amidon peuvent également être fermentés après une étape d’hydrolyse enzymatique (amylases). L’éthanol obtenu est récupéré par distillation et déshydratation. Le bioéthanol obtenu présente certaines limites (cf. inconvénients) qui peuvent être compensées par sa conversion en ETBE ("Ethyl tertio-butyl ether") par un ajout d’iso- butène.

Figure 18 – Réaction de fermentation alcoolique, transformant les sucres en bioéthanol

AVANTAGES INCONVENIENTS

Procédé mature pour d’autres applica- tions

Fort potentiel de mélange de l’éthanol avec de l’essence

Bon impact environnemental, y compris local, par rapport à l’essence (émissions d’HC et de CO : - 5% à -10%)

Conditions opératoires (P/T) peu contrai- gnantes

Conversion en ETBE :

Stabilité accrue du mélange (risque de séparation de phase diminué)

Évaporation plus faible Même indice d’octane

Sucres issus des micro-algues (type amidon) difficiles à fermenter, rendements en alcool très faibles28

Evaporation plus forte (avec un mélange à 5% de bioéthanol, le taux d’évaporation de l’essence peut atteindre 50%), nécessité de diminuer la volatilité des carburants pour ajouter de l’éthanol Teneur énergétique plus faible ~ 1/3 des essences traditionnelles Augmentation des émissions d’aldéhydes

Si faible teneur en éthanol et présence d’eau: possibilité de sépara- tion des phases

Une forte teneur en éthanol est agressive pour les moteurs qui doivent être adaptés (e.g. Véhicules « Fuel Flexible »)

Conversion en ETBE :

L’iso-butène est issu de sources fossiles

La conversion en EBTE augmente les coûts et les émissions

MATURITE POTENTIEL

R&D Potentiel modéré

2.1.5.3 Hydrogénation

Transformation des lipides (chaines carbonées insaturées) de l'huile végétale en leurs alcanes correspondants (chaines carbonées saturées) par réaction avec du dihydrogène à haute pression (5-200 bars) et relativement haute tempéra- ture (150-200 °C) en présence d’un catalyseur.

Figure 19 – Réaction d’hydrogénation, transformant des lipides (triglycérides) en HVO (Hydrotreated Vegetable Oils) c’est à dire alcanes (CnH2n+2) et propane (C3H8)) [9]

AVANTAGES INCONVENIENTS

Panel des lipides valorisables plus large que pour la transestérification

Commercial pour d’autres huiles végétales (palme…) Produit final stable et de qualité (indice de cétane élevé, absence d’aromatiques, etc.)

Consommation importante d’hydrogène Nécessaire purification préalable des huiles

MATURITE POTENTIEL

Commerciale Potentiel modéré à élevé (bien maitrisé mais nécessite

un accès à de l’hydrogène peu cher)

28 _{Des essais ont montré une production de 385 mg}

ethanol/g de glucose contre 115 mgethanol/g de micro-algues [81]

Glucose

Ethanol

Dioxyde de

carbone

2.1.5.4 Méthanisation

Procédé biochimique complexe impliquant différentes bactéries et réactions chimiques successives en milieu anaéro- bie (sans oxygène). Les macro-molécules (protéines, lipides, glucides) sont tout d’abord hydrolysées en molécules simples (monosaccharides, acides aminés, etc.) qui sont convertis en acides organiques (acides gras volatiles ou AGV) par acidogénèse. Ces derniers sont à leur tour convertis en un mélange d’acétate, de CO2 et d’H2 par acétogénèse.

Enfin, des bactéries pratiquant la méthanogénèse transforment soit l’acétate (voie acétoclastique) soit les gaz (voie hydrogénophile) en un mélange composé essentiellement de méthane CH4 et de CO2 qu’on appelle biogaz.

Le procédé se déroule à pression atmosphérique, à température dépendante des bactéries utilisées mais centrée autour de 38°C et un pH autour de 7. Le biogaz obtenu est ensuite séché, comprimé puis prétraité pour enlever les COV (Composés Organiques Volatiles) et l’H2S. Il peut ensuite être valorisé en cogénération chaleur/électricité ou

encore épuré et comprimé pour donner du biométhane. Ce dernier peut être injecté dans le réseau de gaz naturel ou transformé en bio-GNV (carburant véhicules). Toute la partie de la biomasse qui n’est pas convertie en gaz est appelée « digestat » ayant un intérêt agronomique en tant que fertilisant.

Entrée : algue entière ou résidus d’extraction

Sortie : biogaz ou biométhane (après épuration du biogaz), digestat

AVANTAGES INCONVENIENTS

Voie mature à l’échelle industrielle pour de nom- breuses biomasses

Valorisation de l’algue entière ou des résidus d’extraction

Voie humide, ne nécessite pas d’étape de séchage Faible conso. énergétique

Production de digestats valorisables en agriculture, ou recyclables comme source de nutriments pour les algues

Rendement en biogaz très dépendant du type d’algue Présence de sel potentiellement inhibitrice

Adaptation du procédé à de hautes teneurs en azote potentiellement nécessaire

MATURITE POTENTIEL

Commerciale

Potentiel élevé (algue entière en voie humide évitant séchage et extraction ; débouché énergétique des résidus d’extraction notamment, y compris pour des algues culti- vées en conditions potentiellement rédhibitoires pour une application en alimentation humaine/animale)

2.1.5.5 Liquéfaction Hydrothermale

Procédé thermochimique à moyenne température (250 - 350°C) et haute pression (100 - 200 bars) en présence ou non de catalyseurs. Dans ces conditions l’eau est à l’état sub-critique, ce qui en fait un excellent milieu réactionnel (faible viscosité, forte solubilité de la matière organique [7]).

Entrée : algue entière ou résidus d’extraction

Sortie : bio-brut (carburant à la composition proche d’un pétrole brut conventionnel)

AVANTAGES INCONVENIENTS

Valorisation de l’algue entière ou des résidus d’extraction

Voie humide, ne nécessite pas d’étape de séchage Lyse des cellules non nécessaire

Bio-brut obtenu plus stable et avec un pouvoir calorifique supérieur aux huiles de pyrolyse

Réacteurs et ingénierie complexes

Impact du type d’algue sur la composition du bio-brut inconnu

Raffinage nécessaire du bio-brut obtenu

Fraction azotée des algues potentiellement problématique pour le process

MATURITE POTENTIEL

R&D

Potentiel modéré à élevé (algue entière en voie humide évitant séchage et extraction ; prometteur mais développe- ment en retard sur la méthanisation)

2.2

Les macro-algues

Les différentes étapes et catégories de procédés utilisés pour les macro-algues sont les mêmes que pour les micro- algues.

De la même façon, la Figure 20 ci-dessous donne une vision détaillée des différents chemins technologiques déjà em- prunté ou susceptibles d’être empruntés, des macro-algues aux produits finaux. Cet ensemble est représenté sous forme d’un arbre technologique. La bande de gauche rappelle les principales étapes de la chaine. Les procédés sont représentés en vert (mature pour des applications algues) ou orange (en développement pour les algues) tandis que les produits et intermédiaires sont indiqués en noir. A nouveau, cet arbre vise avant tout à donner une vision d’ensemble des possibilités et de leur multiplicité. Pour plus de lisibilité, une version agrandie est également fournie en Annexe 1 – Arbres technologiques. Les sections suivantes décrivent individuellement les différents maillons de cette chaine technologique et comparent les principales technologies susceptibles d’être utilisées à chaque étape.