Projet conjoint "Biocarburants produits par conversion biochimique et catalytique"

Le recours aux carburants fossiles et carbonés en guise de source d’énergie devient de plus en plus problématique en termes de durabilité. Alors qu’il existe diverses sources d’énergie alternatives pour la production d’électricité et de chaleur, les carburants liquides à base de carbone demeurent indispensables dans des secteurs clés du transport comme l’aviation. De plus, une source de carbone alternative est nécessaire pour la fabrication de produits chimiques à base de carbone. La biomasse lignocellulosique permet potentiellement de répondre à ces deux exigences, mais sa conversion en carburant pour l’aéronautique ou en produits chimiques de base constitue un défi de taille.

Étudier la combinaison des processus de conversion biologique et catalytique dans le but d’accroître la diversité des produits dérivés de la biomasse et d’évaluer la durabilité sur l’intégralité de la chaîne de valeur. Dans le cadre d’un premier processus de biotransformation, convertir la lignocellulose en acides carboxyliques, qui sont ensuite valorisés par catalyse en alpha-alcènes ou en composants de carburant pour avions.

Afin d’assurer le fractionnement intégral des hydrates de carbone de la biomasse lignocellulosique, l’équipe du projet a développé une plate-forme d’extraction du lactate en vue de produire des acides carboxyliques. Une communauté microbienne de synthèse y extrait des matières premières hétérogènes de lactate, en tant qu’intermédiaire central destiné à être converti en acide(s). La faisabilité de ce concept a été démontrée en produisant par exemple 196,5 kg d’acide butyrique par tonne de bois de hêtre.

Le processus de valorisation utilisant un catalyseur Cu/SiO2-Al2O3 a permis d’obtenir une sélectivité d’alcènes > 90 % pour une conversion des acides carboxyliques proche de 99 %. Un brusque changement de sélectivité des alcènes à une prédominance d’alcanes a été constaté à pleine conversion. Grâce à un catalyseur Cu/ZrO2, les acides carboxyliques ont également été valorisés en une seule étape en une huile organique formée de composés aromatiques C8 – C16 et de cycloalcènes. En termes de propriétés d’énergie et de distillation spécifiques, cette huile est compatible pour être mélangée à hauteur de 10 % avec du carburant pour avions Jet A-1.

L’analyse de durabilité a révélé que la biomasse herbacée potentiellement disponible en Suisse pouvait atteindre 500 000 tonnes de matière sèche par an. Le bois représenterait quant à lui plusieurs fois ce volume. Une éventuelle bioraffinerie en Suisse pourrait par conséquent être approvisionnée en matière première composée d’un mélange de résidus de bois, de biomasse herbacée issue de prairies extensives, de résidus de récolte agricoles et de produits forestiers qui pourraient être utilisés sans nuire à l’environnement, c’est-à-dire sans réduire la matière organique du sol. Sur la base des données de laboratoire existantes (technologies de base, rendement, cadence), le prix de vente minimum du carburant d’avion issu de lignocellulose, produit dans une installation pilote d’une capacité annuelle de 10 000 tonnes de biomasse, a été estimé à 3,60 CHF/litre, ce qui représente environ le double du tarif actuel du kérosène, mais correspond aux prévisions de prix d’autres cycles de production à base de biomasse.

Implications pour la recherche

Les sous-projets ont tous trois fait considérablement progresser la recherche et ont ouvert la voie à de nouvelles approches innovantes dans leur domaine de spécialité respectif. Le sous-projet consacré au volet biochimique a permis de développer des solutions de culture combinée de micro-organismes ayant des exigences de croissance différentes. Le sous-projet visant à étudier la valorisation catalytique a permis de découvrir un phénomène de changement de sélectivité, pouvant être employé pour contrôler la distribution des produits dans la production d’alpha-alcènes ou de carburant pour avions. Dans le cadre du sous-projet consacré à l’évaluation de la durabilité sur le cycle de vie (LCSA), la méthodologie et la base de données servant à évaluer et optimiser les performances économiques et environnementales des bioraffineries ont été améliorées, ce qui permet désormais à d’autres scientifiques de s’en servir.

Implications pour la pratique

Les processus biochimiques et catalytiques développés ont mis en évidence des approches inédites prometteuses pour une conversion efficace et durable de la lignocellulose en alpha-alcènes et en carburants pour avions. Les technologies analysées affichent toutefois un faible niveau de maturité technologique. C’est pourquoi le comité consultatif industriel accompagnant le projet a recommandé de passer au stade des essais en testant la technologie dans une bioraffinerie pilote.

Production of fuels and commodity chemicals through subsequent biochemical and catalytic conversion of lignocellulosic biomass

Ce projet conjoint se compose de trois projets de recherche

Consolidated bioprocessing of lignocellulosic biomass for production of lactic acid and mixed carboxylic acids as fuel precursor

• Dr. Michael Hans-Peter Studer, Hochschule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften, Berner Fachhochschule, Zollikofen

Catalytic upgrading of biomass-derived carboxylic acids for fuel and chemical production

• Prof. Jeremy Luterbacher, Laboratoire des procédés durables et catalytiques Institut des sciences et ingénierie chimique, EPF Lausanne

Sustainability evaluation of biorefinery systems for fuel and commodity chemical generation from plant residues

• Dr. Jan Hendrik Grenz, Hochschule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften, Berner Fachhochschule, Zollikofen; Prof. Stefanie Hellweg, Dr. Bernhard Streit