Cellulosic Ethanol as a Second Generation

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Éthanol cellulosique
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ÉTHANOL CELLULOSIQUE – FAIRE DU BIOCARBURANT À PARTIR DE
RIEN
La grande majorité de biocarburants à l’éthanol du Canada sont actuellement faits à partir de maïs et de
blé. La longue histoire de la fermentation du sucre à l’échelle industrielle a permis à cette technologie de
partir sur les chapeaux de roue. L’éthanol de maïs a des avantages environnementaux, mais le
détournement de cultures alimentaires pour la production de carburant a fait l’objet de nombreuses
critiques (voir la documentation sur l’éthanol de maïs pour plus de détails). Mais les choses pourraient
changer pour le carburant à l’éthanol. La recherche scientifique et l’innovation industrielle s’engagent
dans un virage qui les éloigne des matières biologiques céréalières pour les rapprocher des matières
biologiques cellulosiques non alimentaires telles que les tiges de blé, les cannes de maïs (tiges et
feuilles) et les résidus forestiers.
Un rapprochement moléculaire entre la cellulose et l’amidon
La cellulose est la molécule organique la plus abondante sur Terre. Les végétaux la produisent pour être
plus forts. L’amidon et la cellulose sont tous les deux des polymères polysaccharidiques constitués de
longues chaines de deux unités de glucose liées par covalence. Les liaisons alpha-1,4 glucosidiques
relient les molécules de glucose pour faire de l’amidon, mais la cellulose utilise des liaisons bêta-1,4
glucosidiques. C’est peut-être une infime différence, mais elle a d’énormes conséquences. Les
polymères d’amidon sont solubles dans l’eau, fortement branchés, constitués d’entités granulaires et
hydrolysés par un enzyme nommé amylase. Les polymères de cellulose ne sont pas solubles dans
l’eau, sont constitués de chaines linéaires très serrées les unes contre les autres et sont hydrolysés par
un enzyme nommé cellulase. La différence moléculaire entre l’amidon et la cellulose est illustrée par la
figure 1. Puisque les chaines de cellulose sont très serrées, elles sont très solides – on peut penser à la
solidité du bois, des fibres de coton, des rafles de maïs ou des tiges de blé.
Chez les végétaux, les fibres de cellulose sont tissées serrées avec deux autres grands polymères
biologiques : l’hémicellulose et la lignine. L’hémicellulose est un autre polysaccaride branché, mais il a
une composition variable. Il contient un mélange de sucres à cinq atomes de carbone (pentoses : xylose
et arabinose) et de sucres à six atomes de carbone (hexoses : mannose et galactose) fixés les uns aux
autres par des liaisons alpha et bêta. La lignine, un polymère complexe à composition variable, relie les
parois cellulaires et les vaisseaux des végétaux et est responsable de la dureté et des caractéristiques
ligneuses des troncs d’arbres et des tiges.
De la cellulose à l’éthanol, les avenues biochimiques et thermochimiques
L’éthanol produit à partir de matière cellulosique est exactement le même que celui qui est produit à
partir de céréales. Chimiquement parlant, de l’éthanol, c’est de l’éthanol. Cependant, c’est beaucoup
plus compliqué de partir de la cellulose parce qu’elle est emmêlée à l’hémicellulose et à la lignine. Il
existe deux façons de procéder pour transformer la matière biologique cellulosique en éthanol : la
conversion biochimique et la conversion thermochimique.
Voici les principales étapes de la conversion biochimique (également illustrée à la figure 2A de la
page 3) :
1. Broyage : La matière biologique est broyée mécaniquement en petits morceaux.
2. Prétraitement : La cellulose, l’hémicellulose et la lignine sont démêlées à l’aide de
traitements physiques (explosion à la vapeur) ou chimiques (acide ou alcalin). Parfois, ce
prétraitement libère des sucres libres à partir du polymère hémicellulosique.
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3. Traitement enzymatique (saccarification) : On ajoute de la cellulase pour lancer la
décomposition des chaines de cellulose en glucose. On peut également utiliser de
l’hémicellulase si la décomposition a échoué. La cellulase et l’hémicellulase se trouvent
dans des champignons et parfois dans des bactéries.
4. Fermentation : Les cellules de champignon métabolisent le glucose en éthanol grâce à la
fermentation, exactement comme dans la production d’éthanol de maïs. On peut également
obtenir de l’éthanol en faisant fermenter les différents sucres d’hémicellulose à l’aide de
divers microorganismes.
5. Distillation, déshydratation, dénaturation : L’éthanol obtenu des réservoirs de fermentation
est traité exactement comme l’éthanol de maïs.
6. Utilisation de lignine : On peut faire fermenter la lignine pour produire de l’éthanol, mais on
peut aussi la faire bruler pour générer de la chaleur et de l’électricité qui alimenteront les
7. bioraffineries d’éthanol cellulosique.
Figure 1 : La différence moléculaire entre l’amidon et la cellulose
L’amidon (A) et la cellulose (B) sont tous les deux des polymères de glucose, mais l’amidon a des
liaisons alpha-1,4 glucosidiques alors que la cellulose a des liaisons bêta-1,4 glucosidiques. Les
liaisons alpha de l’amidon constituent le substrat des enzymes amylase. Les liaisons bêta de
l’amidon constituent le substrat des enzymes cellulase. Voici deux exemples de cellulases : les
endoglucanases hydrolysent les liaisons bêta-1,4 glucosidiques à l’intérieur de la chaine de
cellulose, et les exoglucanases hydrolysent les liaisons situées à l’extrémité de la chaine.
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Voici les principales étapes de la conversion thermochimique (également illustrée à la figure 2B de la
page suivante) :
1. Préparation de la matière biologique : La matière biologique est séchée, et la cellulose,
l’hémicellulose ainsi que la lignine restent enchevêtrées.
2. Gazéification : La matière biologique séchée est brulée pour générer un gaz de synthèse
principalement composé de monoxyde de carbone (CO) et d’hydrogène (H2). La gazéification
se produit à des températures extrêmement élevées de 700 à 1000 °C.
3. Conversion du goudron et du soufre : Le goudron et le soufre sont deux sous-produits de
la gazéification et sont chimiquement convertis en gaz de synthèse.
4. Nettoyage et conditionnement du gaz de synthèse : Tout sous-produit ou contaminant
restant est retiré et le gaz de synthèse est comprimé.
5. Conversion catalytique vers l’éthanol : Le gaz de synthèse comprimé passe sur un
catalyseur métallique pour que le CO et l’H2 soient convertis en éthanol (CH3CH2OH). Les
catalyseurs métalliques généralement utilisés sont le rhodium et le cobalt. Certaines espèces
de bactéries peuvent agir en tant que catalyseurs microbiens dans la conversion du gaz de
synthèse en éthanol.
Figure 2 : Production d’éthanol cellulosique : Les principales étapes sont illustrées pour la conversion biochimique (A) et la conversion
thermochimique (B) de la matière biologique en éthanol. Voir le texte pour plus de détails.
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Le procédé thermochimique transforme d’abord la cellulose, l’hémicellulose et la lignine en gaz de
synthèse pour ensuite devenir de l’éthanol. Son rendement de conversion de la matière biologique
cellulosique est donc plus grand. On peut aussi convertir le gaz synthétique en d’autres alcools (par ex.,
du méthanol) et hydrocarbures (par ex., de l’essence).
Du point de vue environnemental, l’éthanol cellulosique bat l’éthanol de maïs
L’éthanol cellulosique a les mêmes avantages écologiques que l’éthanol de maïs. C’est un carburant
renouvelable, non fossile qui réduit les émissions de GES. Une analyse des cycles de vie réalisée au
Canada en 2012 a révélé que l’éthanol de maïs E100 réduit les émissions de GES de 45 % par rapport à
l’essence. L’éthanol cellulosique produit par conversion biochimique de canne de maïs a de meilleurs
résultats : il réduit de 68 % les émissions de GES (pour du E100). C’est l’éthanol cellulosique produit par
conversion thermochimique du bois qui obtient la meilleure performance, avec une réduction
phénoménale de 93 % (pour du E100).
Le même modèle a été utilisé pour calculer le bilan énergétique du cycle de vie de différentes
technologies de production d’éthanol de première et deuxième générations. N’oubliez pas qu’un bilan
énergétique positif signifie qu’on obtient plus d’énergie d’un carburant qu’il en a fallu pour sa production.
On peut examiner le bilan énergétique de deux façons. On peut tenir compte de toutes les sources
d’énergie utilisées pendant la production de carburant, y compris l’énergie renouvelable. Dans ce
scénario, l’éthanol de maïs présente un bilan énergétique total légèrement positif, libérant environ 60 %
d’énergie de plus qu’il en faut pour le produire. En revanche, la conversion biochimique de canne de
maïs et la conversion thermochimique du bois présentent toutes les deux un bilan énergétique total
négatif. Dans ces deux cas, les processus de conversion sont très énergivores. Il faut cependant se
rappeler que la biomasse cellulosique fournit elle-même de l’énergie quand la lignine est brulée. Quand
on retire l’énergie libérée par la biomasse renouvelable des calculs de bilan énergétique, le bilan
énergétique fossile de la canne de maïs est meilleur : le rendement est de 2,6 fois l’énergie consommée.
Le bilan énergétique fossile de la conversion thermochimique du bois est encore plus impressionnant : le
rendement est d’environ 50 fois l’énergie consommée.
L’utilisation de cannes de maïs, de tiges de blé et de résidus forestiers comme matière biologique de
l’éthanol cellulosique résout l’épineuse question du détournement des céréales alimentaires pour la
production de carburant. L’un des chefs de file en matière de conversion biochimique de résidus
agricoles dans le monde est Iogen, une entreprise canadienne (http://www.iogen.ca - Veuillez prendre
note que cette ressource est disponible en anglais seulement). Il existe également des cultures
spécialement destinées à l’éthanol cellulosique, telles que des herbacées et des arbres à croissance
rapide comme le peuplier. Ces cultures, destinées à la production de carburant, utilisent parfois des
terres qui pourraient être mises en valeur pour des cultures vivrières, ce qui nous ramène au débat qui
oppose la nourriture et le carburant. Cependant, certaines cultures énergétiques peuvent pousser sur
des terres « marginales » qui ne sont pas assez riches en nutriments pour des cultures vivrières. Une
entreprise canadienne appelée Enerkem a optimisé sa technologie thermochimique pour produire de
l’éthanol cellulosique à partir d’eaux usées municipales, en transformant les ordures en carburant
(http://enerkem.com/fr/accueil.html). Partout dans le monde, on évalue le potentiel de production
d’éthanol d’autres types de déchets.
La commercialisation à grande échelle de la production d’éthanol cellulosique a été limitée
essentiellement par le cout considérable de la construction et du fonctionnement des bioraffineries
d’éthanol cellulosique. La route vers la faisabilité économique est encore longue.
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En apprendre davantage :
Aperçu de Transports Canada :
http://www.tc.gc.ca/fra/programmes/environnement-etv-ethanol-fra-597.htm
Aperçu intéressant de l’éthanol cellulosique de « How Stuff Works »:
http://science.howstuffworks.com/environmental/green-tech/energy-production/cellulosic-ethanol.htm
(Anglais)
Brève vidéo de « How Stuff Works » :
http://videos.howstuffworks.com/discovery/31916-howstuffworks-show-episode-3-cellulose-energyvideo.htm (Anglais)
Davantage de détails sur la conversion biochimique :
http://www.nrel.gov/biomass/biochemical_conversion.html (Anglais)
Davantage de détails sur la conversion thermochimique :
http://www.nrel.gov/biomass/thermochemical_conversion.html (Anglais)
Références supplémentaires :
Dashtban et al., Fungal Bioconversion of Lignocellulosic Residues; Opportunities & Perspectives.
International Journal of Biological Sciences 2009; 5(6) : 578-595. Accessible au :
http://www.biolsci.org/v05p0578.htm (Anglais)
Tirado-Acevedo et coll., Production of Biofuels from Synthesis Gas Using Microbial Catalysts. Advances
in Applied Microbiology 2010; 70 : 57-92. Accessible au : http://afuels.net/library/Chapter%202%20%20Production%20of%20Biofuels%20from%20Synthesis%20Gas%20Using%20Microbial%20Catalysts.
pdf (Anglais)
Technical report on GHG and energy balance of fuel ethanol, produit par Modèle GHGenius de
Ressources naturelles Canada : http://www.ghgenius.ca/reports.php (Anglais) (source des émissions de
GES et données sur le bilan énergétique, lien « Advanced Biofuel Update », inscription gratuite requise)
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