Pour avancer dans le développement de ce que nous connaissons tous comme Bioéconomie, il est nécessaire d’étudier les nouvelles ressources biologiques, à savoir les ressources qui aident à diversifier les chaînes de valeur existantes. Les micro-algues sont un exemple de ce type de ressources. À partir de ces micro-organismes végétaux nous pouvons obtenir une large gamme de bioproduits économiquement intéressants pour différents marchés comme l’alimentaire, la santé et le bien-être, la cosmétique, l’industrie chimique et le secteur énergétique.

Avec leur composition chimique très complète et leur faible complexité structurelle, les micro-algues peuvent être considérées comme une biomasse à haut potentiel en tant que matière première pour le développement d’industries de type bioraffinerie, qui misent sur la production intégrée d’intrants alimentaires, de produits chimiques et de carburants. De plus, les cultures de micro-algues sont, de façon générale, plus productives que les cultures agraires traditionnelles avec un moindre impact environnemental. Les caractéristiques et les contraintes de la culture de ces organismes facilitent le développement de stratégies novatrices de valorisation des déchets qui aident à minimiser l’impact environnemental de l’activité et résultent profitables pour l’Économie Circulaire.

Tel est le contexte au sein duquel, il y a deux ans, nous avons commencé à bâtir le Projet CYCLALG.

Fondamentalement, CYCLALG consiste à cultiver des micro-algues dans les courants résiduels de l’industrie agroalimentaire afin d’obtenir des multi-produits commercialisables auprès de différents secteurs à partir de la biomasse produite et à convertir tous les déchets qui sont générés au cours du processus en nouvelles matières premières.

Pour réaliser ce projet, nous avons choisi Chlorella protothecoides, une micro-algue qui a la capacité de produire une haute quantité d’huile quand elle est cultivée dans des conditions hétérotrophiques. Que signifie hétérotrophique ? Pour ceux qui ne sont pas familiarisés avec la culture de micro-organismes, hétérotrophique signifie capable de croître en utilisant les composés organiques comme nutriments et comme source d’énergie. Dans le cas de Chlorella, nous avons une alternative pour produire de la biomasse végétale à partir de matière organique et en l’absence de lumière, au lieu d’utiliser la lumière solaire et les fertilisants traditionnels.

À partir de là, nous avons cultivé l’algue pour produire de la biomasse, puis nous avons fractionné progressivement la biomasse obtenue. Nous avons séparé l’huile des protéines et des hydrates de carbone. Nous avons converti l’huile en biodiesel et les protéines et hydrates de carbone en un coproduit liquide riche en acides aminés et en sucres que nous avons utilisés pour poursuivre la production de micro-algues. Nous avons essayé de redonner de la valeur aux courants résiduels engendrés au cours du processus d’obtention d’huile en extrayant les molécules qui ont de la valeur comme éléments structuraux pour l’industrie chimique ou comme composés bioactifs pour le secteur cosmétique. Nous avons redirigé d‘autres résidus du processus pour qu’ils retournent à la production primaire par leur incorporation aux aliments utilisés en aquaculture et aux fertilisants à usage agraire. Nous avons employé les déchets dépourvus de tout autre usage possible comme matière première pour l’obtention de biogaz, susceptible de couvrir une partie de la consommation d’énergie du processus global.

Deux années sont presque passées depuis le lancement du projet, et maintenant que nous en sommes quasiment à son mitan, nous vous présentons les résultats que nous avons obtenus dans les différentes activités techniques.

Activité 1. La valorisation des déchets organiques : récupération de nutriments et obtention de concentrés nutritifs

Un des axes sur lesquels pivote CYCLALG est la possibilité d’obtenir des composés nutritifs (ex. acides aminés et sucres) à partir de différents déchets organiques. Le but est d’utiliser postérieurement ces composés comme nutriments dans le milieu de culture dont les algues s’alimentent pour croître. Tel est le concept qui donne au CYCLALG son caractère “circulaire” : nous redonnons de la valeur aux déchets en les recyclant dans l’obtention d’une nouvelle biomasse.

En réduisant le coût du milieu de culture, l’obtention de nutriments à partir de déchets est potentiellement avantageuse en termes de durabilité, mais aussi pour l’économie du processus. Nous voulons de cette façon progresser vers la viabilité future du procédé d’obtention de biodiesel à partir de micro-algues.

Dans cette activité de valorisation des déchets organiques, nous avons différencié deux sous-activités :

(1) La première consiste à obtenir des nutriments à partir du résidu algal dégraissé. Plus précisément à récupérer l’azote protéique qui s’y trouve présent pour le transformer en une solution riche en acides aminés en utilisant pour cela un processus d’hydrolyse enzymatique.

(2) La seconde s’est focalisée sur l’obtention de nutriments à partir de certains déchets agroalimentaires. Ces déchets sont des restes de fruits, légumes et graines (maïs et lin), sorgho et épluchures de pomme de terre, qui sont transformés en concentrés liquides riches en sucres à travers un processus d’hydrolyse basé sur une extrusion thermomécanique.

Ces deux activités se sont déroulées en parallèle et leurs résultats seront complétés par ceux de l’Activité 2, dans laquelle les deux “hydrolysats” seront introduits comme composants dans le milieu de culture afin de permettre la production d’une biomasse algale riche en huile.

Esquema A1 A2

(Déchets agroalimentaires   –  à BIOMASSE   –    RÉSIDU – à Huile Biodiesel)

1.1. Obtention d’acides aminés à partir du résidu algal dégraissé

Après l’extraction de l’huile de toute matière végétale oléagineuse, on obtient un résidu solide dégraissé, principalement composé de protéines et d’hydrates de carbone. Cette biomasse “résiduelle” est couramment appelée tourteau. En réalité, ce tourteau n’est pas actuellement considéré comme un déchet, mais comme un coproduit de processus de production d’huiles à partir de graines oléagineuses. Un coproduit qui est souvent destiné à l’alimentation animale et alternativement à l’obtention d’énergie.

Le phénomène est le même dans le cas des micro-algues. Quand la biomasse des algues oléagineuses est soumise à un processus d’extraction d’huile, nous obtenons comme coproduit un de ces tourteaux. C’est ce que nous avons appelé dans le schéma de CYCLALG le Résidu 1 (R1). Dans le cas de l’espèce employée dans CYCLALG, le R1 est composé de 11 – 16% de protéine, d’environ 70 % d’hydrates de carbone et de 16 % de cendres.

Comme nous l’avons déjà expliqué plus haut, l’usage que nous avons proposé pour le R1 est de le transformer en un hydrolysat riche en nutriments qui peut être employé dans la culture de la micro-algue. En d’autres termes, il s’agit d’utiliser cette fraction résiduelle obtenue après l’extraction d’huile pour continuer à produire de l’huile.

Le but spécifique de l’Activité 1.1 a été de récupérer l’azote présent dans la fraction protéique du tourteau. Pour cela, nous avons eu recours à un processus de digestion enzymatique qui permet de fragmenter les protéines en ses composants de base, les acides aminés, à l’aide de deux protéases et une carbohydratase. Dans la phase initiale de l’activité, une série d’essais a été menée à échelle de laboratoire pour déterminer les valeurs optimales de variables qui affectent le processus, comme la concentration relative enzyme/substrat, la température et le temps de la réaction. Après avoir déterminé les paramètres optimaux du processus, l’hydrolyse enzymatique a été reproduite dans un réacteur automatisé avec un volume de travail de 5 litres.

Le processus développé permet d’extraire et d’hydrolyser jusqu’à 80% des protéines présentes dans le tourteau ou déchet pour donner un produit liquide avec la composition suivante ( Résultats Neiker):

  • Azote total 3.2 g/L
  • Acides aminés libres de 15 g/L
  • Sucres réducteurs 30 g/L
  • Résidu solide 4.7 g/L

1.2. Obtention de sucres à partir de déchets agroalimentaires

Les activités industrielles du secteur agroalimentaire dégagent chaque année des tonnes de courants résiduels riches en matière organique qui offrent un haut potentiel de valorisation. Pour CYCLALG, nous avons sélectionné certains de ces déchets comme matières premières possibles pour obtenir les nutriments nécessaires à la production de micro-algues. L’objectif dans ce cas a été d’obtenir des sucres et les déchets sont ceux qui figurent sur l’image : restes de prunes et de maïs en provenance de conserveries, sorgho, lin et épluchures de pomme de terre.

MP Agro
Pour tirer des sucres de ces matières, nous avons utilisé une méthode de fractionnement ou hydrolyse thermomécanique au moyen d’une extrudeuse à vis (Figure 2). Schématiquement, cette technologie consiste en une vis sans fin qui tourne à l’intérieur d’une chemise et commandée par un moteur. Le processus commence par la trituration du déchet introduit dans la bouche d’alimentation située à une extrémité de l’extrudeuse. Pendant que la vis tourne, de l’eau est introduite qui imprègne le déchet et permet aux sucres de s’y dissoudre.  Finalement, dans la partie distale de l’extrudeuse, la phase liquide riche en sucres et les restes solides du déchet extrudé sont séparés par filtration.

Figura Extrusión TM con tornillo

Déchet agroalimentaire – Imprégnation – Filtration – Trituration – Solvant d’extraction – Extrait liquide – Matière défibrée

Figure 2. Schéma simplifié du processus d’extrusion par vis

La phase liquide est le produit que nous avons employé comme source de sucres dans la phase de culture des micro-algues. Les restes solides ont été destinés à l’obtention de biogaz par méthanisation. Jusqu’ici, dans cette activité nous avons traité comme il a été expliqué deux lots de déchets de prunes, deux lots de maïs et un lot de graines de lin. La Table 2 montre les résultats de la caractérisation (composition en sucres) des hydrolysats obtenus.

Table 2. Teneur en sucres libres des extraits obtenus par extrusion à partir de déchets de prune (Ciruelas), lin (linaza) et maïs (maíz).

Tabla 2. Contenido en azúcares libres en los extractos obtenidos por extrusión a partir de residuos de ciruela, linaza y maíz.

Activité 2. Production de micro-algues dans des milieux de culture basés sur les déchets organiques

Au fur et à mesure que l’activité d’hydrolyse des déchets organiques pour obtenir des hydrolysats riches en nutriments avançait, nous avons commencé à travailler au développement d’un processus de culture plus durable et plus productif en termes de flux de matière-énergie. Un processus de culture qui permette de convertir les nutriments issus des déchets en une biomasse riche en huile.  Nous pouvons considérer ce processus comme une voie de valorisation des déchets qui est en même temps un processus de bioremédiation.

Pour commencer à bâtir ce processus, nous avons d’abord évalué quelles étaient les exigences nutritionnelles minimales de l’algue. Pour cela, nous avons eu recours à des composés organiques commerciaux comme le dextrose (D-glucose à usage industriel), l’extrait de levure ou l’extrait soluble de maïs ainsi qu’à différents sels inorganiques.

Avec ce type de nutriments, nous avons mis en place un premier procédé de culture permettant d’atteindre une concentration de biomasse de 20 g PSL-1, avec une valeur de productivité de 4.6 g PS L-1d-1. La biomasse obtenue a été analysée pour déterminer sa composition lipidique et son profil d’acides gras. Les résultats sont exposés sur la Table 3 : 55% de matière grasse et un profil d’acides gras composé principalement d’acides palmitique, oléique et linoléique.

En dehors des exigences nutritionnelles minimales, d’autres aspects déterminés lors de cette première étape de l’activité ont été la nécessité d’utiliser un haut rapport C/N dans le milieu de culture, de stabiliser le pH pendant la croissance et de gérer le processus de façon à maintenir une pO2 non limitante dans le milieu de croissance.

Le procédé de culture précédent a été reproduit avec succès à échelle d’usine pilote au Centre de Biocarburants de Seconde Génération (CB2G) du CENER (Centre d’Énergie Renouvelable de Navarre), où des bioréacteurs de 40-100 et 1000 litres ont été employés pour la production de biomasse algale. Plus d’informations

À partir de ce moment, l’objectif a été de remplacer progressivement les nutriments commerciaux par les hydrolysats obtenus à partir des déchets produits au cours de l’Activité 1.

Dns l’état actuel d’avancement du projet, le milieu de culture qui est utilisé pour la croissance de l’algue est composé à plus de 80% de nutriments tirés de déchets organiques. L’hydrolysat obtenu à partir du tourteau d’algue dégraissé a servi d’alternative à l’extrait de levure pour apporter des acides aminés à la culture, tandis que l’hydrolysat obtenu à partir de la prune a servi à apporter au milieu les sucres nécessaires à la croissance de l’algue. Nous avons également incorporé l’un des courants résiduels qu’engendre le processus d’extraction d’huile (Activité 3) et qui est composé d’eau et de glycérol.

Cultivo de Chlorella en bioreactor de 5 L

Culture de Chlorella en bioréacteur de 5 litres

Signalons que l’emploi de toutes ces fractions résiduelles comme nutriments dans le milieu de culture a débouché sur une hausse de 30% de la productivité du processus. Actuellement, nous produisons 90 grammes de micro-algue humide par litre de culture, soit une productivité de 7.5 gPSL-1d-1.

 

Activité 3. Obtention de biodiesel à partir de la biomasse algale

Cette activité comprend deux processus indépendants :

(1) l’extraction d’huile à partir de la biomasse brute et

(2) sa transformation postérieure en biodiesel.

3.1 Extraction d’huile

Pour l’extraction des huiles, nous avons suivi un protocole à trois étapes qui commence par la saponification directe (KOH Ethanol) de la biomasse, suivie de sa filtration pour obtenir une fraction hydro-alcoolique (contenant des lipides et autres composés) et un résidu solide dégraissé (R1) ou tourteau. Dans la deuxième étape, la fraction hydro-alcoolique est extraite avec de l’hexane pour séparer les composés saponifiés (destinés à l’obtention du biodiesel) de ceux insaponifiables (R2). Enfin, la troisième étape est l’obtention finale des acides gras après hydrolyse acide, extraction à l’hexane et évaporation. Au cours de cette étape, nous  obtenons en outre la fraction R3, principalement composée d’eau et de glycérol.

Le premier pas a consisté à optimiser les conditions du processus d’extraction à échelle de laboratoire. Au cours de cette étape, le rendement d’extraction a été de 70% par rapport aux lipides totaux (35% d’huile par rapport au poids sec). Puis, dans une seconde phase, le protocole précédent a été appliqué à échelle d’usine pilote, où deux opérations indépendantes d’extraction ont été réalisées pour traiter 12 kg de biomasse algale (biomasse produite au cours de l’Activité 2).

Dans les deux cas, les rendements d’extraction ont été similaires à ceux obtenus préalablement en laboratoire (70 et 78 % pour les opérations d’extraction 1 et 2, respectivement). La Table 4 résume les résultats des activités d’extraction.

 

Table 4. Résultats de l’extraction d’huile à échelle laboratoire et dans l’usine pilote (Résultats de CATAR).

Tabla 4. Resultados de la extracción de aceite a escala laboratorio y en planta piloto (Resultados de CATAR).
Pour compléter l’activité, l’huile tirée des extractions dans l’usine pilote de CATAR a été envoyée au CENER, où elle a été caractérisée et transformée en un produit énergétique, du biodiesel.

Comme résultat, nous pouvons affirmer qu’il est possible de transformer l’huile obtenue de la micro-algue en un biodiesel de bonne qualité, d’une teneur en FAMES supérieure à 98 % et au profil similaire au biodiesel tiré du colza, c’est-à-dire conforme aux normes légales en vigueur qui règlementent la commercialisation des biocarburants.


Table 5
. Caractérisation du biodiesel obtenu selon la norme EN14214

Table 5 FR

Le procédé d’obtention de biodiesel à partir d’huile algale est reproductible et peut passer au stade industriel. Toutefois, il existe un aspect qui complique actuellement sa commercialisation, à savoir son degré d’acidité. Cette acidité rend nécessaire que la transformation en biodiesel s’effectue à travers un processus de estérification acide, qui emploie comme catalyseurs du chlorure d’acétyle – MetOH – ou de l’acide sulfurique – MetOH-. Les coûts de la transestérification acide sont légèrement supérieurs à ceux de la transestérification basique, ce qui explique pourquoi ce procédé est moins répandu à échelle industrielle. Ainsi, il est plus difficile que les industries qui opèrent actuellement avec des huiles végétales incorporent celle de cette algue. À cela s’ajoute la directive actuelle d’employer de préférence des “déchets” oléagineux comme matières premières pour l’obtention de biodiesel.

 

Activité 4. La valorisation du glycérol comme élément structural pour l’industrie chimique : les polyols.

Cette activité s’est focalisée sur la valorisation du résidu R3, un courant résiduel qui se produit pendant le processus d’obtention d’huiles, à côté d’acides gras, de composés insaponifiables. Le courant R3 est surtout constitué d’eau et de glycérol, accompagnés de sels provenant de la saponification et de l’hydrolyse des acides gras, et de restes de composants organiques de type polysaccharides, glycolipides, etc.

Le but de l’activité a été d’extraire du glycérol suffisamment pur pour qu’il puisse servir de substrat à la synthèse de carbonate de glycérol et des polyols qui en découlent. Les polyols sont des éléments structuraux qui peuvent être utilisés par l’industrie chimique pour obtenir différents produits commerciaux intéressants, tels que des adhésifs.

Les traitements de purification de glycérol réalisés à partir du R3 ont consisté, d’une part, à mettre au point un processus d’électrodialyse qui a permis d’éliminer du milieu plus de 95% de son contenu salin. Par ailleurs, divers traitements ont été testés pour éliminer la teneur en matière organique non glycérineuse (MONG) du courant du résidu R3. Parmi les différents traitements utilisés, signalons l’extraction liquide-liquide avec divers solvants, la distillation sous vide, l’adsorption par zéolithes et la filtration avec membranes de nanofiltration. De tous ces procédés, le plus efficace a été la nanofiltration, qui a permis l’isolation partielle du glycérol des autres composés structurellement similaires.

 

Ainsi s’achève ce résumé sur l’état d’avancement du projet. Pour notre part, nous allons poursuivre les autres activités du CYCLALG, tant celles d’ordre technique que celles qui abordent la validation de procédé et la diffusion des résultats. Pour l’instant, vous trouverez d’autres informations à la section Résultats de ce site.