BIOCARBURANTS DE DEUXIEME GENERATION

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LES DIFFERENTS GENERATIONS DES BIOCARBURANTS

Biocarburant de première génération :

Au début, le bioéthanol et le biodiesel sont produits à partir des plantes sucrières (telles la canne à sucre et la betterave), des plantes amylacées (comme les céréales, les racines et tubercules) et les oléagineux, d’où la nomination « filière classique » ou « biocarburants de première génération » [9]. Le Brésil a été le premier producteur de cette génération en utilisant la canne à sucre. Les Etats Unis ont surtout utilisé le maïs [10]. En 2009, l’Allemagne a pu couvrir la moitié de la production totale de biodiesel de l’Union Européenne avec l’huile de colza [11].
L’inconvénient avec cette filière classique est surtout la concurrence liée à l’usage alimentaire et énergétique des terres agricoles. Depuis 2008, le monde faisait face à une énorme crise alimentaire. De ce fait de nombreuses interrogations ont été suscitées concernant le rapport entre la crise et le développement des biocarburants [12]. C’est ainsi que les études et recherches concernant les biocarburants de seconde génération ont commencé à se développer.

Biocarburant de deuxième génération :

On appelle biocarburants de deuxième génération les carburants obtenus à partir des biomasses lignocellulosiques. La lignocellulose est le constituant principal de la plante, elle est composée de cellulose, d’hémicellulose et de lignine. La cellulose est formée par une chaîne linéaire constituée par des sucres à 6 atomes de carbone. L’hémicellulose est composée de différents types de sucres à chaîne linéaire ou ramifiée dont les pentoses et hexoses. La lignine est issue de la condensation des alcools coumarylique, coniférylique, sinapylique, elle ne contient donc pas de sucre. Ces trois constituants forment une matrice rigide ce qui nécessite un traitement de délignification [13].
On estime que la production annuelle mondiale de biomasse peut atteindre plus de 30 gigatonnes de matières sèches, soit environ 13,5 Gtep en valeur énergétique. C’est plus que la consommation mondiale d’énergie primaire [14].

Biocarburant de troisième génération:

La troisième génération de biocarburants utilise les microalgues, c’est pourquoi on l’appelle algocarburant [11]. Les microalgues sont des êtres vivants invisibles à l’œil nu. Ils vivent dans les milieux aquatiques (eaux douces, marines, saumâtres et hypersalées) ou des milieux solides (sols, agrégats de stromatolithes, tissus animaux, végétaux ou fongiques). Les principaux constituants des microalgues sont les lipides, les protéines et les glucides [15].
Parmi les générations des biocarburants, l’algocarburant semble être la meilleure puisque sa culture et sa production donnent un rendement supérieur à celui de la biomasse lignocellulosique, et il n’entre pas en concurrence avec l’alimentation. Néanmoins les procédés de séchage demandent beaucoup d’énergies il faut filtrer 5 000 litres d’eau pour avoir 1 kg de microalgues sèches. A cause de cette transformation coûteuse, la troisième génération reste encore rarement exploitable [15].

LA PRODUCTION DES BIOCARBURANTS A MADAGASCAR

Madagascar est une grande Ile, très vaste qui possède un grand potentiel en matières premières. Les sources d’énergie les plus utilisées sont les combustibles fossiles (pétrole, charbon), l’électricité, le bois de chauffe et le charbon de bois. Statistiquement, 90 % des importations pétrolières sont dépensées dans le secteur du transport [16]. Ce qui rend l’Etat Malagasy dépendant économiquement de l’extérieur, par exemple en 2012, selon l’OMH le coût des importations des produits est évalué à plus de 800 millions de $ [17].
Jusqu’à présent, 26 compagnies pétrolières internationales comptant 7 consortiums (contrats avec plus de 2 sociétés) et 10 solos (contrat avec 1 société) ont conclu 19 Contrats de Partage de Production pour l’exploration et l’exploitation d’hydrocarbures à Madagascar. Mais le problème de dépendance étrangère ne se résout pas avec toutes ces opportunités [18].
Le Brésil depuis longtemps a commencé la production de biocarburants avec le programme « pro alcool ». Ce pays émergent a connu beaucoup de succès avec cette initiative, sans parler de la réduction du montant des importations de pétrole, la source de revenu via l’exportation de produits finis et des matières premières, la création d’emploi et la réduction de la pauvreté puisque les biocarburants constituent des sources d’énergie bon marché et accessible même aux populations les moins favorisées. Enfin c’est un facteur de développement rural grâce aux implantations des stratégies de cultures des matières premières et aux créations d’emploi [19].
Tous ces facteurs nous amènent à conclure que la production de biocarburants sera sans doute un facteur de développement pour Madagascar. Mais malheureusement jusqu’à présent le secteur carburant reste encore en phase de lancement, les projets et investissements se font à l’initiative des opérateurs. Les partenariats publics ou privés ne sont pas actifs et surtout la politique incitative n’est pas encore en place. Les productions de biodiesel et de l’éthanol, respectivement à partir du Jatropha et de la canne à sucre sont en cours depuis longtemps [20]. D’ailleurs Madagascar dispose d’une capacité de production de canne à sucre capable de satisfaire les demandes des distilleries de toute l’île. D’après un expert de la Banque mondiale et promoteur du projet Ethanol, la production d’éthanol combustible peut engendrer une création de 4000 distilleries et des milliers d’emplois. Actuellement, Madagascar Energy Company est la seule entreprise autorisée officiellement à produire de l’éthanol [21]. L’OMNIS travaille avec les chercheurs de la CNRIT en matière de biodiesel et éthanol, il appuie aussi techniquement les sociétés productrices [18].

BIOCARBURANTS DE DEUXIEME GENERATION

LA FILIERE DE BIOCARBURANT DE DEUXIEME GENERATION

LA BIOMASSE LIGNOCELLULOSIQUE

Les plantes capturent de l’énergie solaire en convertissant le gaz carbonique et l’eau en sucres, de formule générale (CH2O)x : CO2 + H2O + lumière  (CH2O) x + O2
Les sucres produits sont stockés selon trois différents types de polymères : cellulose, hémicellulose, amidon. Principalement la biomasse est composée de 65-85 % en masse de sucres polymères (surtout la cellulose et l’hémicellulose), avec 10-25 % de lignine. Certaines biomasses possèdent quelque fois une moindre quantité de triglycérides, stérols, alcaloïdes, résines, terpènes et cires [22].
La cellulose, la lignine et l’hémicellulose constituent ensemble la lignocellulose. La matrice de l’hémicellulose et la lignine entourent la cellulose de la paroi cellulaire des plantes (Figure 1). La résistance de cette matrice présente un obstacle à la bioconversion de la biomasse lignocellulosique en sucres réducteurs fermentiscibles [23].
Figure 1 : Structure de la biomasse lignocellulosique [9]

La cellulose

La cellulose est un homopolymère naturel, constituant principal de la paroi cellulaire de nombreux végétaux surtout les plantes et les arbres avec une teneur variant entre 15 % et 99%. Sa structure chimique est composée de liaisons glycosidiques β-(1→4) de D-glucopyranose. La cellobiose est son motif de base répétitif. Le degré de polymérisation de la cellulose diffère selon la matière, en général entre 5 000 et 7 500 unités de glucose [24]. Il existe sept polymorphes de la cellulose qui sont Iα, Iβ, II, III1, III2, IV1, IV2. Ces polymorphes diffèrent selon les caractéristiques physique et chimique comme la solubilité, densité, point de congélation, la forme du cristal, et les propriétés électrique et optique. Les structures cristallines les plus abondantes sont la cellulose native Iα et Iβ car elles sont issues des espèces naturelles. La cellulose II est obtenue par régénération des produits finis contenant les fibres de cellulose comme les papiers, les filtres à café [24], [25].
A part la transformation sous forme d’énergie, les fibres de cellulose peuvent être utilisées pour la fabrication de papiers ou cartons, produits textiles, films pour les pellicules photographiques, produits divers utilisés en industrie agroalimentaire comme les boyaux artificiels pour la charcuterie et les additifs alimentaires. L’extraction de la cellulose dans la matière végétale consiste en l’élimination de la lignine et d’autres constituants comme l’hémicellulose. Le produit obtenu n’est pas de la cellulose pure mais on dit plutôt de la matière enrichie en cellulose [26].
Figure 2 : La chaîne de la cellulose [27]

Les hémicelluloses

Les hémicelluloses sont des polymères hétérogènes à base de xylose, galactose, arabinose et mannose qui sont des sucres réducteurs. La xylose prédomine dans les bois durs et l’arabinose dans les résidus agricoles [8]. En général, elles sont constituées des chaînes moléculaires plus courtes avec un degré de polymérisation inférieur à 200, ce qui les rend facilement hydrolysables par rapport à la cellulose [23]. D’ailleurs l’hydrolyse des hémicelluloses conduit aux différents monomères constitutifs tels que les pentoses (xylose et arabinose, sucres en C5) et hexoses (galactose, mannose et glucose, sucres en C6) selon la figure 3 ci-après :

La lignine

La lignine est une substance organique complexe, constituant principal du bois qui imprègne les cellules, les fibres et les vaisseaux conducteurs, les rendant imperméables, inextensibles et rigides [3]. Elle est constituée d’unité monomère telle que les alcools paracoumarylique, coniférylique et sinapylique (figure 4) [22].
1 : alcool paracoumarylique. 2 : alcool coniférylique. 3 : alcool sinapylique.
Figure 4 : Les monomères constitutifs de la lignine [22]
Dans le procédé de fabrication de biocarburant à partir de la biomasse, la lignine est récupérée puis traitée et transformée pour servir de source d’énergie (chaleur et électricité). On peut fabriquer aussi des résines, les colles, les matières premières pour la chimie fine [3].

LES METHODES DE CONVERSION DE BIOCARBURANT DE LA SECONDE GENERATION

LA TRANSFORMATION THERMOCHIMIQUE [28], [29]

La voie thermochimique désigne la filière de valorisation de la biomasse lignocellulosique par gazéification puis synthèse. Le produit final peut être de l’énergie mécanique, de l’électricité, des hydrocarbures (les diesels Fischer-Tropsch, méthanol, DME), de l’hydrogène, de matière première chimique, ou encore de l’éthanol. On l’appelle aussi voie sèche car on utilise au cours de sa transformation de la chaleur à très haute température depuis le prétraitement jusqu’à l’obtention de gaz de synthèse sous forme de mélange de CO et H2.
Les étapes correspondant à cette transformation sont les suivantes :
– le prétraitement de la biomasse combinant le procédé du séchage, de pyrolyse et de torréfaction ;
– la gazéification ;
– l’épuration du gaz de gazéification permettant d’éliminer les particules, les acides et les goudrons;
– le conditionnement en gaz de synthèse formant le reformage des
hydrocarbures, l’ajustement ratio H2/CO2 et séparation CO2 ; – la synthèse d’hydrocarbures.

Gazéification

Principe

La gazéification met en jeu un ensemble de transformations thermochimiques. La biomasse après séchage passe par une étape de pyrolyse où 70 % de sa masse est converti en composés hydrocarbonés gazeux (matières volatiles) et 30 % en résidu carboné (charbon de bois). Cette transformation, très sensible à la température, démarre significativement à partir d’une température d’environ 250 °C. Par la suite, les matières volatiles subissent diverses réactions de craquage homogène, de combustion (en présence d’un gaz oxydant) et de reformage à la vapeur qui produit de l’hydrogène et du monoxyde de carbone.

Procédé

En chauffant la biomasse à 900 – 1 000 °C, en utilisant comme réactifs l’air, l’oxygène (O2), ou la vapeur d’eau (H2O), il se présente une oxydation plus ou moins complète du carbone en monoxyde de carbone et en gaz carbonique. L’utilisation de l’air ou de l’oxygène favorise la formation de monoxyde de carbone (CO) tandis que la vapeur d’eau permet la récupération d’hydrogène (H2) supplémentaire. Le mélange gazeux CO + H2 forme le gaz de synthèse ou syngas.
La biomasse peut être aussi liquéfiée par pyrolyse ou par d’autres technologies telles que la liquéfaction hydrothermale. La gazéification conduisant au syngas et la pyrolyse conduisant à des liquides (bio-huiles) sont des procédés voisins de chauffage en présence d’une quantité limitée d’oxygène [30].

La liquéfaction hydrothermale

La liquéfaction hydrothermale ou liquéfaction directe se fait par réaction de dissolution et d’hydrogénation, en utilisant un solvant pétrolier ou l’eau à l’état supercritique pour dissoudre la biomasse. Le traitement s’effectue sous une pression de 120 – 180 bars à une température de 300 – 330 °C et un temps de réaction entre 5 – 15 minutes. L’avantage de cette méthode est que la biomasse est utilisée directement humide sans séchage. Et on obtient de « bio-crude » de bonne qualité, à haute valeur ajoutée (jusqu’à 35 MJ/kg). La conversion en biodiesel est aussi possible par hydro désoxygénation [14].

Synthèse de Fischer-Tropsch [9]

La synthèse Fischer-Tropsch est une réaction chimique catalysée par du fer ou du cobalt, effectuée à 200 – 350 °C, dans laquelle les syngas (le CO et H2) sont convertis en hydrocarbures liquides de différents types. Le procédé implique de nombreuses réactions chimiques compétitives. Néanmoins, les réactions les plus importantes sont celles conduisant à la formation d’un mélange d’hydrocarbure de différentes longueurs de chaine carbonée selon la réaction suivante : (n + m/2) H2 + n CO → CnHm + nH2O
Les produits de cette transformation constituent un ensemble de composés carbonés comprenant :
– des hydrocarbures légers (n = 1 et 2),
– des gaz de pétrole liquéfiés (n = 3 et 4),
– des naphtas (n compris entre 5 et11),
– des gazoles (n compris entre 12 et 20),
– des cires (n > 20).
Les procédés sont généralement optimisés pour la production de cires, qui peuvent être par la suite transformées en carburant de type gazole par hydrocraquage. Le rendement massique de la conversion du gaz de synthèse en hydrocarbures liquides est d’environ 65 %, les gaz non convertis ainsi que les produits en C3 et C4 peuvent servir à la production d’électricité.

LA TRANSFORMATION BIOCHIMIQUE

LES PRETRAITEMENTS [2], [31], [32]

En filière biocarburant de deuxième génération, l’étape de prétraitement est nécessaire et importante. La lignine ne contient pas de sucres réducteurs, mais elle se cristallise entre les fibres de cellulose et hémicelluloses avec une grande rigidité. Lors du prétraitement, les cas suivants peuvent se produire: hydrolyse de l’hémicellulose, extraction du groupe acétyle de l’hémicellulose, extraction ou altération de la lignine, une augmentation de la surface interne et du volume des pores, cristallisation et réduction du degré de polymérisation en cellulose. Mais il faut noter que ces résultats dépendent de la matière première, des matériels et techniques à utiliser lors du prétraitement. En effet, il existe plusieurs types de prétraitement résumés dans le tableau 3 et qui seront développés aux prochains paragraphes.

LES PRETRAITEMENTS PHYSIQUES

Les prétraitements physiques sont les prétraitements mécaniques (broyage, découpage), et les prétraitements thermiques (200 à 300 °C) ou avec irradiation affectent le changement des structures de la cellulose afin de faciliter l’hydrolyse.

LES PRETRAITEMENTS CHIMIQUES

 A l’acide dilué
En principe, on utilise l’acide sulfurique (H2SO4), l’acide chlorhydrique (HCl), l’acide phosphorique (H3PO4) ou l’acide peracétique (C2H4O3). Par exemple, le prétraitement à l’acide sulfurique utilise de l’acide dilué de 0,3 à 2 %. Le prétraitement à l’acide dilué augmente donc le volume des pores de la biomasse et favorise ainsi l’accessibilité enzymatique des fractions lignocellulosiques.
 A l’acide concentré
Le prétraitement à l’acide concentré permet d’extraire la cellulose et le résidu récupéré est la lignine. La cellulose en solution peut être précipitée par addition de méthanol ou d’éthanol. Puis le précipité est hydrolysé facilement à l’acide dilué. Ce procédé a besoin d’une plus grande concentration en acide (exemple : 75 % d’acide sulfurique, ou 50 jusqu’à 85 % d’acide phosphorique). Les avantages de cette méthode sont l’utilisation d’une température et d’une pression moins élevées.
 Les prétraitements alcalins
Le prétraitement alcalin ou basique est le plus utilisé parmi les prétraitements chimiques. Contrairement à l’acide concentré, son rôle est d’extraire la lignine et une partie de l’hémicellulose. Les principaux réactifs sont l’hydroxyde de sodium (NaOH), l’hydroxyde de calcium Ca(OH)2, l’ammoniaque (NH4OH) et les mélanges (NaOH + H2O2 ou (NaOH + O3).
 Prétraitement avec des solvants organiques
Ce procédé est aussi appellé Organosolv. Ce type de prétraitement utilise les solvants organiques catalysés à l’aide des acides minéraux. Les solvants sont l’éthanol, l’acétone, l’éthylène, le glycol, l’alcool tétrahydrofurfurylique. L’acide sulfurique est un exemple d’acide minéral. Ce prétraitement entraîne la coupure des liaisons carbone – carbone au niveau de la lignine et de dégrader la lignine et les hémicelluloses C5. Le recyclage des solvants est nécessaire pour éviter l’inhibition enzymatique lors de l’hydrolyse et de la fermentation.
 Prétraitement par oxydation chimique
Le procédé d’oxydation chimique dégrade la lignine et une partie des hémicelluloses, la cellulose reste intacte. D’ailleurs, la délignification avec l’ozone est efficace et la température de la réaction d’ozonolyse est peu élevée. Mais il faut une assez grande quantité d’ozone ce qui rend le procédé trop onéreux.
 Prétraitement biologique
Le prétraitement biologique dégrade la lignine et l’hémicellulose en utilisant des différents microorganismes comme les champignons de pourritures brunes, blanches, et molles. Les pourritures blanches sont les plus efficaces dans le prétraitement biologique de la biomasse.

LES PRETRAITEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES

 La thermohydrolyse
La thermohydrolyse ou prétraitement hydrothermal utilise l’eau chaude avec une pression élevée. L’eau joue à la fois le rôle de solvant et de réactant. La cuisson se trouve entre 200 à 230 °C sous pression supérieure à 50 bars et le traitement se fait pendant 15 à 60 minutes. Ce type de prétraitement présente beaucoup d’avantages : solubilisation complète des hémicelluloses et significative de la lignine, hydrolyse enzymatique de la cellulose sans utilisation de produits chimiques, absence d’inhibiteurs et peu de rejets.
 Explosion à la vapeur ou « Steam Hydrolysis and explosion »
Cette méthode combine le prétraitement chimique et physique par utilisation d’une haute pression « steaming » de 12 à 41 bars, à température 190 – 220 °C et l’injection de vapeur saturée. Le but est de dégrader les hémicelluloses dans les microfibres pour que la surface de la cellulose soit exposée et l’accessibilité des enzymes facilitée.
 Procédé AFEX (Ammonia Fiber Explosion)
Cette méthode est similaire avec la « Steam explosion » puisqu’on utilise aussi la pression et la température élevées. Mais l’eau est remplacée par l’ammoniaque. Il n’existe aucune dissolution de la biomasse parce que lors du traitement l’ammoniac s’évapore. En conséquence, aucune substance n’est extraite, ni la lignine ni l’hémicellulose, seulement le rendement en sucre est plus élevé qu’en « steam explosion ».
 Dioxyde de carbone supercritique
Le point critique est à 31 °C et 74 bars. En présence d’eau, le gaz carbonique forme l’acide carbonique qui servira comme agent de prétraitement. L’avantage avec ce type de traitement est l’utilisation d’une température modérée. Son effet est de réduire la cristallinité de la biomasse.

L’HYDROLYSE

Hydrolyse chimique :

 A l’acide dilué [33], [34]
L’hydrolyse à l’acide dilué est soumise à haute température, mais la durée de la réaction est plus courte (quelques minutes). En général, on utilise l’acide chlorhydrique (HCl) ou l’acide sulfurique (H2SO4) conduisant à un rendement jusqu’ à 70 %. Les inconvénients avec ce type sont d’une part les problèmes environnementaux, la corrosion des matériels, la neutralisation de l’acide, et d’autre part la manipulation de l’acide fort présente un danger. Mais surtout les matériels et le coût de production sont chers. Au cours de l’hydrolyse, la cellulose risque de se dégrader et produit des inhibiteurs comme l’hydroxyméthyl furfural (HMF), l’acide lévulinique et l’acide formique. Pour le cas des hémicelluloses, l’hydrolyse à l’acide dilué peut atteindre un rendement de 85 – 90 % en sucres, mais il se forme aussi des inhibiteurs de fermentation tels que le furfural, des fragments de lignine et l’acide acétique.
 A l’acide concentré [35], [36], [37]
L’hydrolyse à l’acide concentré est beaucoup plus efficiente qu’avec l’acide dilué puisqu’on peut atteindre un rendement jusqu’à 90 %. L’avantage avec le prétraitement utilisant l’acide concentré est que la température ne dépasse pas 40 °C, on peut même utiliser la température ambiante, de plus les inhibiteurs sont limités. Le prétraitement avec une concentration en masse de 70 % de H2SO4 à température ambiante solubilise la cellulose en totalité avec un rendement un rendement assez élevé. Et la concentration est comprise entre 30-70 % en masse. Les inconvénients de l’acide concentré sont la neutralisation de l’acide et surtout la formation des inhibiteurs tels que l’HMF, le furfural, et l’acide acétique.

Hydrolyse enzymatique [34], [38], [39]

L’hydrolyse enzymatique n’est pas assez corrosive et n’a pas d’effet néfaste sur l’environnement, mais la durée de traitement est plus longue (plusieurs jours). Les enzymes coûtent chères et des inhibiteurs peuvent se former dans l’hydrolysat. Les enzymes pour hydrolyser la cellulose et les hémicelluloses sont différentes, on utilise respectivement la cellulase et les hémicellulases (xylanase, arabinofuranosidase, xylosidase, β-glucosidase).
 La cellulase :
La cellulase est une enzyme cellolytique qui dégrade la cellulose en glucose lors du processus de la fermentation. Cette enzyme est spécifique pour briser les liaisons glycosidiques sous deux modes d’action dont l’inversion ou la rétention de configuration du carbone monomérique. La cellulase est produite par des microorganismes, principalement les bactéries et champignons anaérobique, aérobique, mesophilique et thermophilique. Par exemple : le Clostridium, Cellulomonas, Tricoderma reesei.
Les cellulases sont classées en trois groupes: l’endo-1,4-β- glucanase qui attaque la chaîne de cellulose pour avoir un polysaccharide plus court ; la cellobiohydrolase ou exo-1,4-β- glucanase qui attaque les chaînes terminales du polymère en chaînes plus courtes et libère la cellobiose ; enfin la β-glucosidase qui hydrolyse la cellobiose et le 1,4-β-D- glucane (cellodextrine) en glucose.

LA FERMENTATION ALCOOLIQUE

La fermentation est une étape importante de la transformation biochimique des biocarburants de deuxième génération. Les sucres obtenus par hydrolyse de la biomasse vont être convertis en éthanol. La température et le pH sont les principaux paramètres à respecter lors du déroulement de la fermentation. La levure fermente les sucres simples hexoses tels que le glucose et fructose, avec production d’alcool et de CO2 selon l’équation [40]:

Le déroulement de la fermentation alcoolique [41]

D’une manière générale la fermentation se déroule en trois phases :
– La phase de latence ou saturation progressive du milieu en gaz carbonique (environ 1,5 g/L). La durée de cette phase peut varier de quelques heures à plusieurs jours. Elle est surtout fonction de la température, du taux d’inoculation et de la présence d’inhibiteurs, principalement le dioxyde de soufre (SO2).
– La phase de croissance : le gaz carbonique commence à se dégager pendant cette deuxième phase. Elle dure jusqu’à obtention de la population levurière maximale, soit 20 à 30 % de la fermentation, d’où la vitesse maximale de fermentation. Une baisse de pH est aussi observée par l’assimilation d’azote sous forme d’acides aminés et d’azote ammoniacal.
– La phase stationnaire : est la dernière phase pendant laquelle l’essentiel du sucre est fermenté, les levures ne se multiplient plus et leur activité diminue légèrement même si leur taux de viabilité reste encore entre 80 – 90 %.

Les paramètres influençant la fermentation alcoolique [42], [43]

 La température
La température joue un rôle important dans le processus de fermentation. Le plus souvent elle se situe entre 25 et 30 °C, sinon les levures meurent et le risque d’arrêt de fermentation est élevé.
 L’acidité
Théoriquement les levures tolèrent une gamme de pH entre 2,4 et 8,6. La fermentation a besoin d’un milieu peu acide. Pour les biomasses lignocellulosiques, le pH est aux alentours de 5,5.
 L’agitation
Une agitation aussi est nécessaire pour l’homogénéité du mélange en termes de substrat et réactifs, et pour maintenir la température constante. Un milieu mal agité favorise l’agrégation des cellules, affaiblissant ainsi le transfert des matières entre le milieu de culture et les cellules.

Le procédé d’hydrolyse et fermentation simultanée : SSF et CBP

La SHF ou (Hydrolyse et Fermentation Séparées) est la combinaison de quatre étapes de la transformation biologique des biocarburants de deuxième génération : prétraitement, hydrolyse, fermentation et distillation alors que la SSF (Saccharification et Fermentation Simultanées) effectue l’hydrolyse enzymatique et la fermentation en une seule étape en utilisant une seule enzyme. Le premier intérêt est de réduire le coût de la production et la diminution des inhibiteurs liés a l’accumulation des sucres produits car ils sont directement consommés par les micro-organismes fermentaires [44], [45].
Une autre voie : la DMC (Direct Microbial Conversion), récemment appelée CBP (Consolidated Bioprocessing) est à peu près la même que la SSF car elle utilise un seul micro-organisme qui produit ensemble des enzymes réalisant l’hydrolyse et la fermentation, et permet la co-fermentation des pentoses et hexoses [46].

LA DISTILLATION

La distillation est un procédé de séparation de deux ou plusieurs mélanges liquides et huiles dont les températures d’ébullition sont différentes grâce à une évaporation suivie d’une condensation. On distingue la simple distillation utilisée lorsque les températures d’ébullition des espèces sont éloignées les unes des autres. Si les températures sont proches, on utilisera un montage de distillation fractionnée avec une colonne Vigreux qui permet par condensations successives d’avoir une séparation plus précise des corps présents. L’espèce chimique qui sort en premier est la plus volatile, celle dont la température d’ébullition est plus faible. Les industries utilisent une distillation continue constituée d’une colonne et d’un dispositif de rectification [42], [47].

Table des matières

INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE : SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
CHAPITRE 1 : LES BIOCARBURANTS
1.1.- Généralites sur les biocarburants
1.1.1.- Définition
1.1.2.- Le biodiesel
1.1.3.- Le bioéthanol
1.2.- Les différents générations des biocarburants
1.2.1.- Biocarburant de première génération
1.2.2.- Biocarburant de deuxième génération
1.2.3.- Biocarburant de troisième génération
1.3.- La production des biocarburants à Madagascar
CHAPITRE 2 : BIOCARBURANTS DE DEUXIEME GENERATION
2.1.- La filière de biocarburant de deuxième génération
2.1.1.- La biomasse lignocellulosique
2.1.1.1.- La cellulose
2.1.1.2.- Les hémicelluloses
2.1.1.3.- La lignine
2.2.- Les méthodes de conversion de biocarburant de la seconde génération
2.2.1- La transformation thermochimique
2.2.1.1.- Gazéification
2.2.1.1.1.- Principe
2.2.1.1.2.- Procédé
2.2.1.1.3.- La liquéfaction hydrothermale
2.2.1.1.4.- Synthèse de Fischer-Tropsch
2.2.2.- La transformation biochimique
2.2.2.1.- Les prétraitements
2.2.2.1.1.- Les prétraitements physiques
2.2.2.1.2.- Les prétraitements chimiques
2.2.2.1.3.- Les prétraitements physico-chimiques
2.2.2.2.- L’hydrolyse
2.2.2.2.1.- Hydrolyse chimique
2.2.2.2.2.- Hydrolyse enzymatique
2.2.2.3.- La fermentation alcoolique
2.2.2.3.1.- Le déroulement de la fermentation alcoolique
2.2.2.3.2.- Les paramètres influençant la fermentation alcoolique
2.2.2.3.3.- Le procédé d’hydrolyse et fermentation simultanée : SSF et CBP
2.2.2.4.- La distillation
DEUXIEME PARTIE : TRAVAUX PERSONNELS
CHAPITRE 3 : MATERIELS ET METHODES
3.1. MATERIELS
3.1.1. Hyparrhenia rufa (Nees) Stapf
3.1.1.1. Classification botanique
3.1.1.2. Description de la plante
3.1.1.3. Composition chimique de l’Hyparrhenia rufa
3.1.1.4. Localisation à Madagascar
3.1.1.5. Utilisations
3.1.2. Saccharomyces cerevisiae
3.1.2.1. Description botanique
3.1.2.2. Propriétés
3.1.2.3. Survie et Multiplication des Levures
3.2.- METHODES
3.2.1.- Test d’humidité
3.2.1.1.- Principe
3.2.1.2.- Formule
3.2.2. Extraction de la cellulose
3.2.2.1.- Prétraitement à l’acide sulfurique dilué
3.2.2.2.- Prétraitement alcalin avec le NaOH
3.2.2.3.- Calcul de la teneur en cellulose
3.2.3. Extraction de la lignine
3.2.3.2.- Mode de calcul
3.2.4.- Analyses chimiques
3.2.5.- Délignification
3.2.5.1.- Broyage et découpage
3.2.5.2.- Prétraitement alcalin
3.2.6- Hydrolyse a l’acide concentré
3.2.7. Tests et dosage des sucres réducteurs par la méthode de Fehling
3.2.7.1. Principe
3.2.7.2. Calcul de la concentration en glucose
3.2.8. Fermentation alcoolique
3.2.8.1.- Milieu de culture
3.2.8.2.- Pré-culture
3.2.9.- Distillation fractionnée
3.2.10.- Méthode avec le matériel decoupé
CHAPITRE 4 : RESULTATS ET DISCUSSIONS
4.1.- Prétraitement mécanique
4.2.- Teneur en eau
4.3.- Teneur en cellulose
4.4.- Teneur en lignine
4.5.- Récapitulatif des résultats et discussions
4.6.- Délignification alcaline
4.6.1- Délignification avec NaOH 1%
4.6.2.- Délignification avec 0,1 g de Ca(OH)2/g de biomasse
4.6.3.- Discussions
4.7.- Test des sucres réducteurs par la liqueur de Fehling
4.8.- Teneurs en sucres réducteurs
– Dosage du glucose pur
– Dosage de la solution prétraitée avec le NaOH
– Dosage de la solution prétraitée avec le Ca(OH)2
4.8.1.- Discussion
4.9.- La fermentation alcoolique
4.10.- Distillation fractionnée
4.10.1.- Résultats
4.10.2.- Discussion
4.11.- Résultats obtenus avec du matériel découpé
4.11.1.- Test de Molish
4.11.2.- Discussion
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
TROISIEME PARTIE : PARTIE EXPERIMENTALE
1- Teneur en eau
2- Teneur en cellulose
3- Teneur en lignine
4- Délignification alcaline
4.1- Délignification à l’hydroxyde de sodium NaOH 1 %
4.2.- Délignification à l’hydroxyde de calcium à 0,1 g par g de biomasse
5- Hydrolyse en milieu acide
6- Mise en évidence et dosage des sucres
6.1- Test des sucres réducteurs
6.2- Dosage des sucres
7- Fermentation
8- Distillation
9- Expériences réalisées avec le matériel découpé
9.1- Prétraitement
9.2- Hydrolyse acide
9.3- Fermentation
9.4- Test de Molish
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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