du carbone renouvelable

Présentation au sujet: "du carbone renouvelable"— Transcription de la présentation:

1 du carbone renouvelable
Le rôle clé des microorganismes et des enzymes dans la création d’un nouvelle économie basée sur du carbone renouvelable Denis Groleau Institut de recherche en biotechnologie (IRB) CNRC, Montréal 22 mars 2012 1

2 QUESTION FONDAMENTALE ?
Sera-t-il possible de remplacer le baril de pétrole par la biomasse dans l’économie de demain ? - Population mondiale en croissance ! - Maintenir notre niveau de vie ?

3 Quelles sont nos chances ?

4 CO 2 Carburants Aujourd’hui 90% + Pétrole & Gaz naturel 7-10%
Produits chimiques (surtout des plastiques)

5 Carburants NOS OPTIONS:
- Réduire nos déplacements - Voitures plus économes - Transport en commum - Voitures électriques, etc CARBURANTS à partir de la biomasse (biocarburants) : 10-25% des besoins ?

6 BIOCARBURANTS IMMENSE DÉFI ! IMMENSE POTENTIEL:
Fermentation microbienne Enzymes

7 Biofuels projects Targets Biomass Pyro-lysis Gasifi-cation
90% Water content 15% Biomass Wet / Dry / Pyro-lysis Gasifi-cation Incine-ration oil, char gas, CO2 syngas: CO, H2 CO2, CH4 CO2, heat Transesterification Biodiesel thermochemical routes Anaerobic digestion Fermentation derived applications CH4, CO2 H2, CO2 EtOH ButOH biochemical routes Dark fermentation, bioelectrolysis Pre-treatment, extraction H2, CH4, n-butanol Carboxydotrophic bioconversion 7

8 BIOCARBURANTS de 1ère génération:
Éthanol à partir de céréales ou de sucres Biodiésel (à partir d’huiles végétales, de graisses animales ou de déchets)

9 Bioéthanol Bioéthanol Bioéthanol Amidon de maïs/ Autres céréales
Levure Bioéthanol (Etats-Unis, Canada, Europe, etc) Etats-Unis: 47 milliards de litres, 2010) CANADA: GreenField Ethanol (600 millions de litres) Canne à sucre (sucrose) Bioéthanol Levure (Brésil: 31 milliards de litres, 2010)

10 Bioéthanol 800 x 10 autos dans le monde !
(6) 800 x 10 autos dans le monde ! 1000L bioéthanol/auto/année ! (9) 800 x10 litres/année ! (9) 78 x 10 États-Unis + Brésil = (2010)

11 Biodiésel Biodiésel Esters d’acides gras Glycérol Enzymes ??
Huiles végétales (vierges ou usées) Gras animal Déchets alimentaires Méthanol + Chaleur + conditions alcalines Esters d’acides gras (mélange) Glycérol Peut-être ! Enzymes ??

12 BIOCARBURANTS de 2e génération:
EMPHASE sur carbone non alimentaire Ethanol à partir de matières cellulosiques Butanol/Isobutanol

13 Éthanol Éthanol cellulosique Matières cellulosiques SUCRES SIMPLES
Clostridium thermocellum Éthanol (qualité très variable) Hydrolyse enzymatique Fermentation (levure ou bactérie) Catalyse chimique Hydrolyse chimique SUCRES SIMPLES Iogen Corp. Thermochimie Gaz synthétique Méthanol

14 = Matières cellulosiques Éthanol cellulosique Le ``challenge`` du
21e siècle ! = Principaux handicaps: Variabilité de la qualité du matériel; Approvisionnement problématique; Présence d’autres polymères (lignine, hémicelluloses); Coût élevé des enzymes (cocktail de cellulases); Présence d’inhibiteurs. Encore en mode ``r&D``

15 Éthanol cellulosique Coskata, Inc.: CO + H 2

16 Procédé Enerkem: Éthanol cellulosique Gaz synthétique Biocarburants
Fermentation Biocarburants (2e ou 3e génération) Un jour ?

17 Éthanol vs. Butanol/Isobutanol Butanol/ Isobutanol
(4 carbones) Éthanol (2 carbones) vs. Plus d’énergie par molécule ou par carbone; Plus compatibles avec les réseaux de distribution; Moins corrosifs; Ressembletn un peu plus à la gazoline.

18 COMPAGNIES intéressées:
Butanol/Isobutanol COMPAGNIES intéressées: Cathay Industrial Biotech (Chine) Butamax (BP + DuPont) - Isobutanol Green Biologics (Angleterre) Solvert (Angleterre) Cobalt Technologies (Etats-Unis) Gevo Development (Etats-Unis)- Isobutanol

19 Gevo Development Levure Un autre résultat du génie métabolique !

20 Sucres Green Biologics Butanol Acetone Éthanol Clostridium
(flexibilité) Clostridium Butanol Acetone Éthanol

21 BIOCARBURANTS de 3e génération:
Nouveaux carburants par génie métabolique/biologie synthétique - ``Jet fuel’’ Biocarburants à partir de microalgues

22 Nouveaux biocarburants ?
Pas obligé de se limiter aux biocarburants déjà connus ! À la recherche de molécules chimiques: chargées en énergie; relativement volatiles; pas trop toxiques pour le microorganisme producteur; Faciles à extraire et à purifier.

23 Nouveaux biocarburants ?
APPROCHE GÉNÉRALE: Isopropanol Dérivés du butanol Génie génétique Microdiésel E. coli Acides gras Terpènes Génie métabolique Biologie synthétique

24 Nouveaux biocarburants ?
EXEMPLES DE RÉSUTATS RÉCENTS: Production of isopropanol by metabolically engineered Escherichia coli Jojima et coll. Japon Production of 2-methyl-1-butanol in engineered Escherichia coli. Cann et Liao Etats-Unis. Engineering of an Escherichia coli strain for the production of 3-methyl-1-butanol Connor et Liao. Etats-Unis.

25 Nouveaux biocarburants ?
A process for microbial hydrocarbon synthesis: Overproduction of fatty acids in Escherichia coli and catalytic conversion to alkanes Lennen et coll. Etats-Unis. Selection and optimization of microbial hosts for biofuels production Fischer et coll. Etats-Unis (2-butanol, terpènoïdes, lipides à chaînes plus longues). Microdiesel: Escherichia coli engineered for fuel production Kalscheuer et coll. Allemagne (principalement ‘’ethyl oleate’’)

26 ``Jet Fuel`` Virgin introduces a lower carbon jet fuel
By David Worthington | November 2, 2011, 7:26 PM PDT

27 ``Jet fuel`` Gaz riche en CO Catalyse chimique Biomasse Autres sources
Gazéification Autres sources

28 Microalgues = presque des microorganismes !
Cas des microalgues Microalgues = presque des microorganismes ! Utilisent le CO2 + lumière en mode photosynthétique Plusieurs peuvent croître à la noirceur sur sucres et/ou acides organiques Accumulent des lipides (futur biodiésel !) – 50% et + (g/g) Grande productivité (10X et + par rapport aux plantes) MAIS: technologies encore trop chères !

29 EXEMPLE: Tecbio + NASA + Boeing (Brésil) = Biokérosène pour avions !
Cas des microalgues EXEMPLE: Tecbio + NASA + Boeing (Brésil) = Biokérosène pour avions ! Microalgues (systèmes ouverts) Extraction Transestérification Esters d’acides gras Huiles Biokérosène (jets) Hydrogénation

30 CO 2 Carburants 90% + Pétrole & Gaz naturel 7-10% (surtout des
Produits chimiques (surtout des plastiques)

31 EN RÉALITÉ ! Pétrole & Gaz naturel Présentement Amidon Hémicelluloses
Lignine Huiles Protéines 30-35 blocs ‘’Lego’’ chimiques Produits chimiques d’aujourd’hui Demain ? Biomasse Inspiré de: Rapport du DOE, 2004 (Etats-Unis)

32 30-35 blocs ‘’Lego’’ Hydrogène Acide succinique Acide citrique
Méthanol Acide fumarique Acide aconitique Éthylene Acide aspartique 5-hydroxyméthylfurfural Propylène 3-hydroxy-butyrolactone Lysine CO Acétoïne Acide gluconique Méthane Thréonine Acide glucarique Glycérol Acide itaconique Sorbitol Acide lactique Furfural Acide gallique 3-Hydroxy-proprionate Acide lévulinique Acide férulique Acide malique Acide xylonique Acide acrylique Sérine Xylitol/Arabitol Acide adipique

33 Acide lactique ``bio``:
Un des premiers grands succès de la biotech indstrielle Cargill Co. (via NatureWorks Inc.) est le joueur le plus connu (Nebraska, usine de 140,000 t/an) Alimentation Pharmacie Acide lactique Acidulant Plastique (PLA) Pesticide/autres

34 PLA Maïs Acide lactique Glucose Acide lactique Plastique
(Polylactic Acid) Catalyse chimique complexe Maïs Plastique biodégradable Acide lactique très pur Amidon Liquéfaction + enzymes Extraction & Purification Acide lactique Glucose Fermentation Lactobacillus, Bacillus, Rhizopus

35 Acide succinique Pour: PBS PBT Polyuréthanes Fibres Spandex Etc

36 2 1 Glucose CO 2 Acide succinique Acide succinique ``bio``
BioAmber Myriant Technologies Reverdia Purac-BASF PTT Chem Acide succinique ``bio`` Amidons (céréales) ou sucres simples 2 E. Coli (génétiquement modifiée) Acide succinique 1 Eau & Sels E. coli Cellules ``préparées`` Filtration Glucose CO 2 ``bio``

37 Génie métabolique/Biologie
Acide adipique Verdezyne BioAmber Genomatica Rennovia Acide adipique ``bio’’ Nylon 6,6 Potentiel de 8 milliard $/an Génie métabolique/Biologie synthétique Sucres Huiles végétales Alcanes Acide adipique (preuve de concept) Levure ? Flexibilité

38 Éthylène ``bio’’ s’en vient !
Le top bloc ``Lego`` chimique Pour plastiques (polyéthylènes et polypropylènes) Production mondiale: 109 million de tonnes (2006) Éthylène ``bio’’ s’en vient ! Fermentation Sucrose (canne à sucre) Éthanol Déshydratation Éthylène 400ºC Brésil: Braskem, DOW

39 Sucres Isobutène Isobutène quasi pur Global Bioénergies S.A. (France):
Carburant Plastiques Caoutchouc Plexiglass Bactérie ``secrète`` Biologie synthétique/génie métabolique

40 EXEMPLES DE TRAVAUX RÉCENTS - Collègues de l’IRB-CNRC
- Ceux de mon équipe

41 Méthanol ‘’vert’’ Plastique Biodégradable (PHB) Déchets/biomasses
de faible valeur Thermochimie Méthanol ‘’vert’’ Fermentation Plastique Biodégradable (PHB) (équipe de Carlos Miguez + D. Groleau, IRB-CNRC)

42 Methylobacterium extorquens
Waste Products (municipal waste, biomass, etc.) Enerkem (Sherbrooke, Qc) « Green » Methanol PHB induction phase Nitrogen limitation Environmental/Societal Advantages: Non-food substrate GHG emissions reduction Efficient and practical form of Carbon Capture Biodegradable product Sustainable process Nutrionally happy PHB granules Biomass (50% PHB) Pure biopolyester Methylobacterium extorquens

43 Gasification/Steam reforming
« Green » Methanol PHB induction phase Nitrogen limitation Nutrionally happy PHB granules Biomass (50% PHB) Pure biopolyester HCD Production Capabilities 50 Kg Polyester/run (Pilot Scale) L Fermenters PHB [poly(3-hydroxybutyrate)] PHBV and Functionalized PHAs Tailor-made PHAs achieved by nutritional and/or molecular means PHB and PHBV reinforced with NCC and natural fibers: compatibilization of NCC in PHB and PHBV matrices PHAs reinforced with nanoclays, carbon nanotubes Blends of lignin and PHAs Source of hydroxy fatty acids for enzymatic production of biopolyol-type hydroxy glycerides Products: biopolyol-based polyurethanes for automotive, construction, and aerospace applications Products: biocomposites, technical fabrics for construction and automotive applications

44 ÉTAPE PRÉ-COMMERCIALISATION:
Projet fait partie d’un méga nouveau programme phare du CNRC sur les biocomposites (industries automobile et construction) 2 compagnies intéressées

45 Direct fermentation of Triticale starch to lactic acid
by Rhizopus oryzae. Xiao Zhizhuang, Wu Meiqun, Beauchemin Manon, Groleau Denis, and Lau Peter C.K.. Industrial Biotechnology. April 2011. Triticale L(+)-Acide lactique Farine brute - Bioréacteurs de 2L Oui ! Rhizopus oryzae NRRL 29086 g sur g Farine semi-purifiée

46 Des mousses de polyuréthane 100% biodégradables ?
(équipe de Robert Lortie, IRB-CNRC)

47 Le but est de remplacer le plus possible de pétro-polyols.
Nouvelles huiles industrielles produisant des acides hydroxylés Huiles industrielles existantes Hydroxylation Acides gras hydroxylés Assemblage e.g. avec glycérol Nouveaux biopolyols MM ajustable Propriétés ajustables Le but est de remplacer le plus possible de pétro-polyols. Polyuréthanes Mousses et résines MM = masse moléculaire

48 Piles microbiennes à combustible
(équipe de B. Tartakovsky et S. Guiot, IRB-CNRC)

49 Microbial electrolysis cell (MEC) → bioelectrosynthesis → electrofuels
Biomasse (déchets) Power source + – CO2 + e− + H+ → CH4 CH4 H2 Substrate CO2 Acetate + e− + H+ → Ethanol Butyrate + e− + H+ → Butanol CH3COOH CH3CH2OH CH4 H2 H2O e- CO2 (catalytic, Pd/Pt) 49

50 Microbial electrolysis cell (MEC) → biohydrogen
Power source + – Microbial electrolysis cell (MEC) → biohydrogen H2 Substrate CO2 2 électrons + 2 protons = Hydrogène H2 H2O H2 production : > 6 LH2/LA•d Energy cost : < 1/3 of that of water electrolysis e- (catalytic, Pd/Pt) 50

51 Bioconversion des gaz de synthèse (‘’syngas’’) en biocarburants
(équipe de S. Guiot, IRB-CNRC)

52 Syngas bio-methanation
Biocatalyzed conversion BIOGAS CH4, CO2 CO 30-45% H2 40-25% CO2 35-15% CH4 10-1% C2+, NH3, H2S, N2, HCN … Gasification 1/4 mol CH4 per mol CO + 1/4 mol CH4 per mol H2 i.e. 0.3 Nm3 CH4/kg solid gasified Carboxydotrophic methanogenesis, to convert syngas compounds into methane CO2 + 4 H2 g CH4 + 2 H2O (∆G°' = -245 kJ/mol CO2) CO + 3 H2 g CH4 + H2O (∆G°' = -150 kJ/mol CO) 4 CO + 2 H2O g CH4 + 3 CO2 (∆G°' = -53 kJ/mol CO) Engineering challenge : to significantly improve gas-to-liquid mass transfer rate 52 52

53 metabolic engineering
Syngas (CO) Clostridium carboxidivorans  low butanol production  redirect carbon flux to butanol production (KO and overexpression of specific enzymes) (transformation system) metabolic engineering  tolerance to solvent (expression of thermophilic chaperonin) Syngas (CO) Clostridium carboxidivorans  higher butanol production  higher butanol tolerance

54 Fermentation of syngas into liquid fuels : main challenge
Metabolic engineering e.g. in Clostridia carboxidivorans, to redirect carbon flux towards butanol either by genes ‘knockout’ or by over expression of appropriate enzymes Tolerance to higher butanol titer 54

55 Développement d’enzymes et leur utilisation dans la production de fibres naturelles
(équipes de Peter Lau et de Denis Rho, IRB-CNRC)

56 Fibres de lin ou de chanvre

57 Étude détaillées de la Linase
Pectinase La linase est une pectate lyase Substrat: Pectine de citron Cutinase

58 Procédés de rouissage microbien
Objectifs du rouissage: Aide à la défibration, à la séparation des fibres unitaires des faisceaux de fibres; Maximise / améliore le rendement en fibres, la qualité des fibres, les propriétés de surface;

59 CONCLUSIONS

60 Bioéconomie : définitions
% Source du carbone Technologie Bioéconomie + Microorganisme ou enzyme 75% Biomasse Oui + Biomasse 25% Chimie Oui Pétrole ou gaz naturel Non ! + Microorganisme ou enzyme

61 D’où viendra la pression ?
Coût du baril de pétrole ? Pénurie de pétrole ? Effet des gaz à effet de serre (GES) ? Réglementation reliée aux GES ? Taxe sur le carbone ? Image corporative ? Besoin d’avoir une source ‘’fiable’’ de carbone à prix ‘’stable’’ et de montrer une image ‘’verte’’ !

62 Étape par étape PEU IMPORTE LE PRODUIT OU LA COMPAGNIE:
Procédé(s) de 2e ou 3e génération (au cas où….) Attendre le moment propice pour passer du pétrole à la biomasse

63 Le Canada est un pays idéal pour la bioéconomie:
Beaucoup de biomasse (forestière, agricole, déchets, etc); Beaucoup d’eau; Immense territoire; Besoin de revitaliser les régions et de créer des emplois.

64 MERCI !