Algoculture et biocarburant

Algoculture et biocarburant
Margot de la Broise
Franck Tonin
Titouan D.C.D.S
Collége Lycée Experimental
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Sommaire
Abstract
p.3
Résumé
p.4
I) Théorie de la production lipidique des algues et du bio-carburant
p.5
1- La photosynthèse
p.5
2- Le milieu de Conway
p.6
3- Stimulation de la production des lipides par une carence en azote
p.6
4- L'extraction de l'huile et la transésthérification
p.9
II) Le bioréacteur
p.10
1) qu'est ce qu'un bioréacteur ?
p.10
2)Les différentes idées et schéma des bioréacteur.
p.11
3- L'apport en co2
p.14
Sources
p.15
Remerciements
p.15
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Abstract
The aim of our project is to produce algae biofuel cultivating algae and extracting oil by
ourselves. We also want to produce it as ecologically and economically as possible. For
this, we decided to build our own bio-reactor using bottles to contain the environment and
a baking powder and sugar mix to produce the carbon dioxide necessary for the algae's
growing. We put it in a caddy and distribute the carbon dioxide thanks to a pipes network.
Then, we have inquired ourselves about the most interesting type of algae for our project,
we have first chosen to cultivate Diatoms (Pseudonitzchia Calliantha) but we couldn't get
any stup so we changed our minds and chose to cultivate Dunaliella Tertiolecta, a stup
that grows faster and produces more lipids than the others. We also found out that algae
produces a greater amount of lipids if it misses nitrogen because nitrogen helps the cells
to produce proteins, so if the cell misses nitrogen, it will produce less proteins and more
lipids (that we need to get the fuel). But it can't grow if we deprive it totally of nitrogen since
the beginning, or for too long. So we will just reduce, at half of the growth period, the
nitrogen part. Then we will collect algae, extract the neutral lipids and process to a
transestherification to get a pure fuel.
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Résumé
Le but de notre projet est de produire du bio-carburant en cultivant des micro-algues en en
extrayant de l'huile. Nous voulons aussi produire ce bio-carburant aussi écologiquement et
économiquement que possible. Nous avons donc décidé de construire notre propre bioréacteur en utilisant des bouteilles pour contenir le milieu et un mélange de levure et de
sucre pour produire le CO2 nécessaire à la croissance des algues. Nous accrocherons les
bouteilles à un caddie et distribuerons le CO2 grâce à un réseau de tuyaux.
Ensuite, nous avons recherché quel était le type de souche le plus intéressant pour notre
projet, nous avons tout d'abord choisi de cultiver des Diatomées (Pseudonitzchia
Calliantha) nais nous n'avons pas pu nous en procurer. Nous avons donc changé d'avis et
décidé de cultiver des Dunaliella Tertiolecta, une souche qui pousse plus vite et produit
plus de lipides que la plupart des autres. Nous avons également découvert que les microalgues produisaient plus de lipides par cellule si elles manquaient d'azote, car l'azote est
indispensable à la production de protéines des algues. Donc si les cellules manquent
d'azote, elle produiront moins de protéines et pourront produire plus de lipides (dont nous
avons besoin pour fabriquer le carburant). Cependant, les cellules ne peuvent pas pousser
si on les prive totalement d'azote, ou trop longtemps. Nous devrons donc simplement
réduire la proportion d'azote dans le milieu à mi-temps de la croissance. Ensuite, nous
récolterons les algues, extrairons les lipides neutres et nous procéderons à une
transestherification pour obtenir du carburant pur.
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I) Théorie de la production lipidique des algues et du bio-carburant.
1- La photosynthèse
Le métabolisme des micro-algues se base sur le principe de la photosynthèse. Qui
consiste à transformer de l'énergie lumineuse (le plus souvent celle du soleil) en énergie
chimique (sous forme de glucides). Cela fait des micro-algues des organismes
autotrophes, car elles fabriquent de la matière organique à partir de matière inorganique.
Schéma représentant le déroulement de la photosynthèse. Source : http://mpathe.free.fr/decouverte.html
Pour nous, la production de carburant à partir d'organismes autotrophes est
intéressante car, ces organismes utilisant principalement la lumière du soleil pour grandir
et se multiplier, cela en fait une énergie renouvelable, contrairement aux carburants à
base de pétrole, qui sont des énergies fossiles.
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2- Le milieu de Conway
Pour les espèces de micro-algues vivant naturellement dans l'eau de mer
(concentration en NaCl d'environ 35g/L) on utilise le milieu de Conway. Composé de
nitrate et de vitamines nécessaires au développement des algues, ce milieu est l'un des
plus utilisé car il convient à tous les espèces de phytoplancton et il très facile d'utilisation.
Pour 1 litre d'eau de mer, on ajoute 1mL de milieu de Conway.
Compositon pour 1 litre de milieu :
–
Nitrate de sodium (NaNO3)
100g
–
Di-hydrogénophosphate de sodium (NaH2PO4)
20g
–
Acide Ethylènediamine tetraacetique de sodium (Na2EDTA)
45g
–
Acide borique (H3BO3)
33,6g
–
Chlorure de manganèse (MnCl2)
0,36g
–
Chlorure ferrique (FeCl3)
1,3g
–
Solution métallique
1mL
3- Stimulation de la production des lipides par une carence en azote
L'azote est l'un des composés indispensables à la croissance des micro-algues car
il permet la synthèse de la plupart des protéines qui leurs sont utiles. Cependant, la
production de lipides diminue lorsque celle des protéines augmente.
Nous sommes donc face à un problème car notre but est d'obtenir une quantité maximale
d'huile en cultivant le moins de micro-algues possibles. Leur teneur en lipides doit donc
être importante, ce qui implique une faible teneur en protéines. Toutefois elles ne peuvent
pas se multiplier sans azote.
De plus, lorsque les micro-algues sont mise en situation de stress en azote, elles stoppent
leur croissance et se mettent à faire des réserves de lipides.
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Nous devions donc trouver un équilibre entre croissance et production de lipides
Graphique simplifié de la croissance des micro-algues en fonction du temps.
Nous allons donc procéder en deux étapes : Premièrement nous placerons les souches
dans un milieu de culture à niveau de nutriments normal et attendrons que les cultures
atteignent la fin de la phase de croissance exponentielle (voir graphique ci-dessus). Puis
nous les transférerons dans un milieu sans azote pour provoquer une carence lipidique.
Nous aurions pu simplement attendre que tous les nutriments soient consommés et
qu'une carence se crée seule mais nous n'aurions pas su quel nutriment aurait manqué.
Nous pouvons aussi, de cette façon, mieux gérer le temps d'introduction de la carence
lipidique, qui est environ de deux jours.
Au bout de quatre à cinq jours on atteint le début de la phase de décroissance, il est donc
judicieux de récolter les algues à ce moment pour éviter également une contamination
bactérienne.
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De gauche à droite : une Diatomée (Pseudonitzchia Calliantha) et une Chlorophyte (Dunaliella Tertiolecta)
Source : http://pinkava.asu.edu/starcentral/microscope/portal.php?pagetitle=assetfactsheet&imageid=25996
Notre second problème a été le choix de la souche à cultiver, car elles ne
produisent pas toutes autant de lipides et ne réagissent pas toutes de la même manière à
la carence. Nous nous étions tous d'abord orientés vers la Diatomée Pseudonitzchia
Calliantha car c'est une espèce résistante qui produit beaucoup de lipides mais, n'arrivant
pas à en obtenir nous avons plutôt choisi de cultiver des Dunaliella Tertiolecta car nous
avons découvert qu'elle poussaient plus vite et produisaient plus de lipides que la plupart
des souches généralement cultivées.
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4- L'extraction de l'huile et la transésthérification
Après avoir récolté les algues, il faudra extraire les lipides neutres (par exemple
avec de l'hexane) puis procéder à une transéthérification en faisant réagir l'huile avec de
l'alcool (éthanol : C2H6O) et un catalyseur (hydroxyde de potassium : KOH) pour obtenir du
bio-diesel qu'on lavera ensuite à l'eau pour le purifier.
Équation chimique de la réaction de transésthérification Source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Biodiesel
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II) Le bioréacteur
1) qu'est ce qu'un bioréacteur ?
Le Bio réacteur est un appareil dans lequel se multiplient des micro-organismes
pour créer une production de biomasse (ici des micro-algues), en réunissant toutes les
conditions nécessaires à leur croissance (milieu, température, lumière...).A terme, nous
devrions obtenir assez de micro-algues pour en extraire de l'huile et en faire un substitut
de carburant permettant de faire fonctionner un moteur.
2)Les différentes idées et schéma des bioréacteur.
Nous sommes partis de différentes idées et chacun à trouvé un inconvénient ou
une possibilité d'amélioration, nous avons fait tout cela ensemble.
1er idée première ébauche
Nous avons d'abord pensé à utiliser un aquarium fermé avec un couvercle amovible
de couleur noire, avec un trou pour laisser passer un tuyau. Ce tuyau permet d'acheminer
du CO2 à partir d'une bonbonne jusque dans l'eau de l'aquarium. Une mousse a la sortie
du tuyau réparti les bulles.
couvercle noir amovible
tuyau
aquarium
mousse
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Les principaux problèmes: La lumière du soleil n'était pas suffisante pour recouvrir
l'intégralité de la surface de l'aquarium ce qui diminue considérablement la production de
micro algues. Nous pensions utiliser une bouteille de gaz.
1er idée ébauche finale
Il faudrait transformer le couvercle amovible noir en un couvercle en verre
transparent ce qui permettrait une nette progression de la lumière de ce fait la production
d'algues ce fera plus rapidement et plus massivement. La forme cubique de l'aquarium
nous pose un problème pour une récupération rapide des micros algues.
2eme idée
Nous pourrions placer un cube en verre ouvert sur l'un de ces quatre côtés pour y
emboîter une pyramide inversée possédant une ouverture placé en haut pour laisser
passer le tuyau et la mousse pour le CO2 (représentée ci-dessous).
Nous placerons un bouchon tout en bas pour permettre de vider rapidement. Il n'y a plus
de problèmes de lumière ni de vidage du récipient.
Reste le problème de la bonbonne du CO2 et trouver le moyen d'augmenter la production
ouverture
tuyau
mousse
bouchon
Schéma représentant un réservoir de culture
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3eme idée
On utilise de simples bouteilles d'eau placée sur un support avec dans chacune le
tuyau qui apporte du CO2.
Sur quel support maintenir les bouteilles ?
Bouchon ouvert
tuyau
mousse
bouteille
Schéma représentant une bouteille contenant le milieu de culture
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3eme idée partie 2
Nous pensons devoir utiliser un meuble composé de grilles en métal pour laisser
passer la lumière
Vue de face :
raccord
tube
bouteille
Grille
en metal
Bouteille
de gaz
Roue mobile
Vue de profil :
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Des rangées de bouteilles placées de chaque côté du meuble sur au moins trois étages ce
qui nous permettra de faire si nous le souhaitons une récolte tous les deux jours avec un
cycle de cinq jours par bouteille ce qui est pour l'instant notre projet idéal.
3- L'apport en co2
a) la bonbonne de gaz
La bonbonne de gaz coûte trop cher à l'achat pour une trop courte durée. De plus,
dans les concours l'utilisation de bonbonnes de CO2 n'est pas autorisée.
b)fabrication de co2
Il existe différents moyens de fabriquer du CO2 et le plus simple d'entre tous est la
production de CO2 grâce au glucose et à la levure chimique beaucoup plus durable et
moins coûteux qu'une bonbonne de gaz. Ce système est autorisé en concours et ne
présente aucun danger.
Schéma de la bouteille de levure
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Sources:
http://www.futura-sciences.com/magazines/nature/infos/dico/d/botanique-photosynthese227/
http://mpathe.free.fr/decouverte.html
http://fr.wikipedia.org/wiki/Dunaliella
Article "Micro-algues : les carburants du futur?"
Septembre 2012
du magazine Pour la science-n°419-
http://acces.ens-lyon.fr/eedd/climat/dossiers/energie_demain/biomasse/biodiesel.pdf
http://fr.wikipedia.org/wiki/Biodiesel
http://www.google.fr/imgres?imgurl=http%3A%2F %2Fwww.aquariophilie.org%2Fbricolage
%2Fimages%2F_co2gel14.gif&imgrefurl=http%3A%2F%2Fwww.aquariophilie.org
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Remerciements
Dr.Benoît Veron (responsable scientifique à Algobank-Caen)
Denis de la Broise (chercheur en microbiologie marine à l'UBO-Brest)
Hélène Barberousse (docteur-ingénieure spécialiste en micro-algues)
Antoine Manier (professeur de mathématiques au CLE-Hérouville-saint-clair)
Cedric Vanden Driessche (professeur de physique-chimie au CLE-Hérouville-saint-clair)
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