Des micro-algues pour une troisième génération de biocarburant

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Les photobioréacteurs du CEA Cadarache permettent de cultiver des micro-algues en conditions contrôlées. (©L.Godart/CEA)

Le CEA de Cadarache, l’un des plus importants centres de R&D sur l’énergie en Europe, se concentre sur les micro-algues pour développer une troisième génération de carburants durables. Encore en phase de R&D avec de nombreux partenaires, il espère un développement à échelle industrielle d’ici 10 ans.

Article paru dans le Formule Verte n°43

« Les biocarburants sont un moyen de diminuer l’empreinte carbone des carburants liquides. Et les micro-algues sont une piste prometteuse pour la production des biocarburants de demain », affirme François Ioos, directeur de la division Biofuels de Total. En effet, en plus de leur capacité à capter de grandes quantités de dioxyde de carbone (CO2) – pour produire 1 tonne de biomasse, les micro-algues consomment 2 tonnes de carbone – ces organismes produisent de nombreuses molécules d’intérêt, dont des lipides, convertibles en biocarburants, et de l’hydrogène. Et comme le rappelle Jacques Vayron, directeur du centre du Commissariat à l’énergie atomique (CEA) de Cadarache (Bouches-du-Rhône), « en 5 minutes, ce sont 300 000 tonnes de CO2 qui sont émises dans le monde ». C’est dans ce cadre que le CEA, l’institut de biosciences et biotechnologies d’Aix-Marseille (Biam) et Total collaborent pour développer un biocarburant de troisième génération. « Cadarache s’affirme comme un moteur de la transition énergétique. Notre objectif principal est la R&D en énergies bas carbone ou peu émettrices de gaz à effet de serre », ajoute-t-il. « La nécessité de diminuer les émissions de carbone, et la problématique de la valorisation du CO2 issu des fumées industrielles redynamise l’enjeu des biocarburants », complète Juliette Imbach, responsable de l’implantation régionale Sud de la recherche technologique du CEA. Au sein du Biam, l’objectif principal est donc la compréhension des processus bioénergétiques des micro-algues ainsi que leurs mécanismes de réponse à leur environnement direct. Cela dans le but de proposer des solutions énergétiques et environnementales pour un développement durable. Une des plateformes technologiques de cet institut, HélioBiotec, se concentre sur les mécanismes moléculaires permettant la conversion de l’énergie solaire et du CO2 atmosphérique en biocarburants de troisième génération.

Débloquer un verrou

Les différentes études menées sur l’espèce Chlamydomonas reinhardtii« une souris de la biologie végétale » pour David Pignol, directeur du Biam – ont montré que les micro-algues ne produisaient des lipides qu’en conditions de stress. Autrement dit, si le milieu environnemental de ces algues ne présente pas des conditions optimales (lumière, température, disponibilité des nutriments…), elles vont synthétiser des huiles, permettant la production de biodiesel. Cependant, cette synthèse de lipides stoppe le développement de ces micro-organismes. « Nous travaillons sur un verrou scientifique. L’enjeu de l’étude des micro-algues est de coupler la captation et la fixation du CO2 à la production de molécules à haute valeur énergétique », explique David Pignol. Avant d’ajouter : « Nous réalisons des modifications génétiques pour permettre une production de lipides et un développement cellulaire de façon à ce qu’il n’y ait aucune corrélation avec le stress ».

Les différentes études menées sur la plateforme HélioBiotec ont également permis aux chercheurs d’identifier une enzyme facilitant la conversion des lipides en hydrocarbures, ainsi qu’une protéine intervenant dans la production d’hydrogène. C’est la Fatty Acid Photodecarboxylase (FAP), découverte il y a deux ans, qui permet aux micro-algues de convertir directement les acides gras, composés majoritaires des lipides, en hydrocarbures. Pour cette réaction, un seul co-facteur est nécessaire : la lumière. Plus précisément, l’énergie des photons bleus. Ce mécanisme moléculaire permettrait de réaliser de nombreuses économies en énergie en se passant des étapes de transformations réalisées par l’Homme. « Nous essayons d’optimiser l’enzyme pour permettre la synthèse d’hydrocarbures à façon. Elle peut également produire d’autres hydrocarbures, tels que le propane, le diesel ou le kérosène », explique Damien Sorigué, chercheur au Biam. Pour ce faire, chromatographe en phase gazeuse et spectromètre de masse sont utilisés pour identifier quelles molécules sont produites, et ainsi identifier les gènes les plus adaptés à une production industrielle. Cette sélection de gènes devrait permettre de créer de nouvelles souches de micro-algues. Ces micro-organismes ont également la particularité de synthétiser de l’hydrogène. Et des protéines, les flavodiirons (FLV), récemment mises en avant par le Biam ont un effet sur l’émission de ce gaz. En bloquant la synthèse de ces protéines à l’aide d’une mutation génétique, les chercheurs ont montré une augmentation de la production d’hydrogène d’environ 30 %. « Nous avons utilisé une souche sauvage que nous avons modifiée génétiquement pour supprimer la synthèse de FLV. Nous avons ainsi pu produire plus d’hydrogène », raconte Adrien Burlacot, chercheur au CEA de Cadarache.

Un rendement prometteur

Plusieurs espèces de micro-algues sont étudiées afin d’identifier la souche la plus adaptée. (©G.Lesénéchal/CEA)

Les chercheurs sont désormais à la recherche des meilleures souches algales pour la production d’hydrocarbures, de lipides et d’hydrogène. « Nous espérons améliorer la sélection des souches pour une meilleure productivité en huile. Nous aimerions produire 60 000 litres de lipides par hectare et par an », projette François Ioos (Total). Le géant pétrochimique, qui développe depuis près de 20 ans des biocarburants, croit en les capacités de production de ces micro-organismes. En effet, le rendement en huile des micro-algues pourrait être de 20 à 30 fois supérieur à celui des végétaux oléagineux utilisés pour la production des biocarburants de première et deuxième génération, à savoir le colza, le tournesol et l’huile de palme. Afin de déterminer quelles sont les souches micro-algales les plus adaptées, la plateforme HélioBiotec réalise différents tests de culture dans des photobioréacteurs. Ces dispositifs sont pilotés par ordinateur afin de contrôler en continu de nombreux paramètres (température, pH, vitesse d’agitation, intensité lumineuse…) et l’apport de nutriments. Il faut cependant identifier une souche qui sera capable de se développer en conditions naturelles, dans un environnement non contrôlé, car comme le précise Laurent Fourage, chargé du programme micro-algues chez Total, « les micro-algues seront cultivées en lagunes et non pas en photobioréacteurs ». Même si les biocarburants de troisième génération semblent prometteurs, ils restent un objectif futur : « Si nous pouvions montrer des résultats à l’échelle industrielle d’ici 5 à 10 ans, cela serait très satisfaisant », conclut François Ioos (Total).

 

Le CEA de Cadarache en bref

Date de création : 14 octobre 1959

Localisation : Saint-Paul-Lez-Durance (Bouches-du-Rhône)

Directeur : Jacques Vayron

Activités : Recherche et développement en énergies bas carbone ou peu émettrice de gaz à effet de serre (énergie nucléaire, nouvelles technologies pour l’énergie) et études sur l’écophysiologie végétale et la microbiologie

Collaborateurs : 2 400 salariés, dont 130 doctorants et post-doctorants. Environ 2 000 emplois indirects

Installations : 480 bâtiments dont 20 installations nucléaires de base (INB) civiles et 1 INB défense

 

Différentes générations de biocarburants

Il existe trois générations de biocarburants, dont les deux premières sont commercialisées. Ceux de la première, dits conventionnels, sont, selon la directive RED, des carburants liquides utilisés pour le transport et produits à partir de biomasse alimentaire. Les biocarburants dits avancés ou de deuxième génération reposent sur la transformation de ressources lignocellulosiques, principalement des coproduits agricoles (bois, paille), en carburants liquides. Ils ont la particularité de ne pas entrer en concurrence avec l’agriculture à destination alimentaire, ni d’entraîner un changement indirect de l’usage des sols. Enfin, les biocarburants de troisième génération sont produits à partir de micro-organismes photosynthétiques, comme les micro-algues ou les cyanobactéries.

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