Production d'éthanol par conversion biologique de biomasse lignocellulosique Frédéric Monot - IFP Agrocarburants et développement durable, Grenoble, 28/01/08 Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/2008

Ethanol de seconde génération Le contexte Le procédé Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/2008

Bioéthanol: le contexte (1) Production capacities Biofuel production in 2006 Biodiesel Bioethanol Europe North America Central and South America Asia/ Pacific Africa L'éthanol : l'agrocarburant le plus répandu actuellement Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/2008

Bioéthanol: le contexte (2) Vehicle Fuel demand: unbalance in favour of diesel oil ... in EU La taille de ce cinquième niveau est étudiée pour servir éventuellement de légende aux photos. Gasoline Diesel USA Gasoline Diesel World Diesel oil Mtons Gasoline Source: Petroleum Economics Ltd Une demande en essence toujours forte au niveau mondial Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/2008

Bioethanol: Le contexte (3) Liquid biofuel blending share targets (EC) 2005: 2 % 2010: 5.75 % (9 Mt EtOH) 2020: 10 % (13 Mt EtOH) (% in energy content) Roadmap may depend upon States, e.g. France In USA 2015 : 15 % EtOH in gasoline  90 Mt EtOH (50% corn = 45 Mt !) 2030 : 30 % EtOH in gasoline 160 Mt EtOH European Council, March 8-9, 2007, conclusions: A minimum ratio of 10% biofuels of the total consumption of gasoline and diesel oil for transportation in EU, this target having to be achieved by 2020 in all Member States, at a reasonable cost. This target is justified, if the production has a sustainable feature, if second generation biofuels are on the market and the directive on the quality of biofuels has to be modified accordingly to plan the suitable blending levels. Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/2008

Bioéthanol : le contexte (4) Les polymères pariétaux de la biomasse lignocellulosique Lignine Hemicellulose Cellulose Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/2008

Bioéthanol : le contexte (5) La biomasse lignocellulosique : une matière première de composition variable Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/2008

Bidlack et al., 1992, Proc. Okla Acad Sci., 72: 51-56 Bioethanol: le contexte (6) Les parois végétales : une structure complexe Cellulose Lignine Hemicellulose Bidlack et al., 1992, Proc. Okla Acad Sci., 72: 51-56 Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/2008

Le procédé (1) : la production d'éthanol ex BLC Quatre étapes principales hémicellulose hydrolysée lignine Biomasse Prétraitement Hydrolyse lignine cellulose hémicellulose lignine cellulose glucose Fermentation éthanol Distillation Séchage éthanol anhydre Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/2008

Bioéthanol: le procédé (2) Le prétraitement aim: making cellulose available to the action of enzymes or catalysts (sometimes leads to fractionation, e.g. hemicellulose hydrolysis) technology: physical-chemical, several competing technologies (steam explosion, diluted acid, thermohydrolysis at 200°C, ...) constraints: energy consumption, degradation of sugars, formation of toxic compounds, continuous feeding of reactors under pressure, corrosion, dry matter concentration Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/2008

Bioéthanol: le procédé (3) Le prétraitement Explosion à la vapeur de paille de blé Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/2008

Bioéthanol: le procédé (4) L'hydrolyse conduit à l'obtention d'un sucre fermentescible, le glucose, catalysée par des acides forts ou des enzymes (cellulases); catalyse enzymatique aussi efficace que l'hydrolyse acide, n'engendre pas de déchets et est conduite dans des conditions douces de température et pression; l'hydrolyse enzymatique de la cellulose est plus difficile que celle de l'amidon et est beaucoup plus coûteuse Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/2008

Bioéthanol: le procédé (5) La fermentation et la distillation procédé semblable à la fermentation de l'amidon (levure) mais : présence de lignine = limitation de la concentration initiale en glucose (teneur en matière sèche limitée) et donc de la teneur finale en éthanol, présence éventuelle de composés toxiques libérés lors du prétraitement, les sucres à 5 atomes de carbone issus des hémicelluloses ne sont pas convertis efficacement en éthanol. souches modifiées et améliorées Distillation identique à la distillation d'éthanol classique nécessité de déshydrater pour un usage carburant Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/2008

Bioéthanol: le procédé (6) Bilans Bilan masse dépendant de la matière première (1 t MS) Exemple : teneur en cellulose = 40 % (m/m) (hémicellulose : 25 % -20% xylanes, lignine : 20% ) Rdts : prétraitement 93% hydrolyse 85 % fermentation 46 % Ethanol final : 160 kg (rdt = 70% / théorique) + potentiellement 200 kg xylanes + 200 kg lignine + potentiellement 86 kg éthanol ex C5 Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/2008

Bioéthanol: le procédé (7) Coûts Répartition investissements Vision US DOE : $ 2.5/gal ($ 0.7/L) en 2005 : $ 1.31/gal ($ 0.36/L) en 2012 (contribution enzyme: 0.5 to 0.05 $/gal, contribution MP : 0.8 to 0.3 $/gal) Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/2008

Bioéthanol lignocellulosique : conclusions Efforts R&D Hydrolyse enzymatique : obtenir des enzymes plus efficaces diminuer le coût de production des enzymes Prétraitement choix technologiques à effectuer : un bon prétraitement doit déstructurer la paroi végétale sans détruire les sucres (baisse du rendement et production d'inhibiteurs) Fermentation conversion des pentoses en éthanol résistance aux inhibiteurs Intégration du procédé diminuer les consommations d'énergie diminuer les demandes en eau Validation en pilote/démo Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/2008

Main current projects (1) Europe Sekab E-Technology (ex Etek) : (2 t/d) in Sweden (NILE) Wood Biogasol (DK) Greencell (Abengoa Bioenergy) Location: Salamanca (Spain) Raw material: wheat and barley straw Capacity : 4000 t/y ethanol (70 t/d raw material) Starting in 2007 Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/2008

Main current projects (2) Pilot plants 2. America Iogen : Canada (30 t/d) Verenium (Louisiana) 3.5 t/d NREL (USA) Abengoa (York) source : Celunol Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/2008

Main current projects (3) USA : Demo units Abengoa : 34 000 t EtOH/y (corn stover, straws, switchgrass). Iogen : 54 000 t EtOH/y (straw, corn residues, switchgrass) POET (Broin & Associates) : 80 000 t EtOH/an (corn cobs), integration in a production unit from corn-grain (cellulosic ethanol = 25 % total capacity) Verenium: Celunol process Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/2008