Bioéthanol

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1- Production du bioéthanol dans le monde

Plusieurs éléments ont contribué à une extension et à une généralisation de la production agricole du bioéthanol dans le monde, en particulier, dans les pays industrialisés, à partir de 2000, parmi lesquels on site : la hausse des prix du pétrole, l’approche du pic de la production de pétrole, la lutte contre le changement climatique et la surproduction agricole.La production du bioéthanol a augmenté dans le monde, durant la période de 2007 à 2011, avec une production, demeurant, faible dans l’UE27 par rapport à la production au Brésil et surtout aux Etats-Unis. La production mondiale est, selon Hanne, (2012), en constante augmentation sur cette période, de 72 milliards de litres en 2007 à 106 milliards de litres environ en 2011, soit une augmentation de 47% en 5 ans.

Les deux premiers producteurs de bioéthanol sont, en l’occurrence : les Etas Unis et le Brésil. En effet, la production a atteint en 2011, 51 milliards de litres (48%) et 29 milliards de litres (27%), respectivement (figure 1). Il est à noter que le continent Africain ne produit que 0.2% du bioéthanol versus 0.4% en Océanie et 5.2% en Europe, selon les statistiques du RFA, 2011 (Renewable Fuels Association).

Figure 1 Evolution de la production du bioéthanol en millions de litres par région du monde (Source OCDE, 2012).
Figure 1 Evolution de la production du bioéthanol en millions de litres par région du monde (Source OCDE, 2012).

2- Utilisation du bioéthanol

Le bioéthanol peut être utilisé, sous certaines conditions, comme carburant dans les moteurs à essence, soit de 5 à 20% dans les moteurs à essence sans modification et/ou de 85 à 100% dans des moteurs à essence spécifiquement adaptés. En outre, l’éthanol peut être converti en divers produits de base de l’industrie chimique, tels, l’éthylène et l’éther éthyle tertiobutyle (ETBE), conventionnellement, produits à partir du pétrole (figure 2). Il est à signaler que le plastique résulte de la polymérisation de l’éthylène et de l’ETBE mélangé à raison de 15% à l’essence, permet d’augmenter l’indice d’octane du carburant, contrairement à l’éthanol, il ne favorise pas l’évaporation des carburants et n’absorbe pas l’humidité de l’air (Escobar et al., 2009).

Figure 2 Utilisation potentielle du bioéthanol (Demirbas, 2008).
Figure 2 Utilisation potentielle du bioéthanol (Demirbas, 2008).

3- Procèdes de Production du bioéthanol

3.1- Matières premières utilisées

L’éthanol est un alcool éthylique qui peut être produit par synthèse à partir des hydrocarbures et/ou à partir de biomasse. Seulement, la transformation de cette dernière par voie microbienne peut produire ce qu’on appelle le « bioéthanol ». L’éthanol est obtenu après fermentation des plantes riches en sucres à l’aide de microorganismes (levures, bactéries, etc.) (Koga, 2008).

A- Matières riches en polysaccharides

Actuellement, il y a une légère prédominance de la production de bioéthanol, à base de matériaux amylacés (53% du total), comme le maïs, le blé et d´autres céréales et grains. Dans ces cas, la technologie de conversion commence généralement par la séparation, le nettoyage et la mouture du grain. Ensuite, l´amidon est converti typiquement en sucres au moyen d´un processus enzymatique à haute température (Ohta et al., 2007). Les sucres libérés seront alors, fermentés par des levures et le liquide résultant sera distillé pour la séparation du bioéthanol (figure 3). Il est intéressant, de signaler que les matières premières riches en inuline (polymère de fructose) constituent une source importante de fructose obtenu sous l’action de l’inulinase (Jose, 1999) produite par divers microorganismes. Comme l’objectif principal de cette thèse est de caractériser la production d’éthanol à partir d’inuline par une souche de levure isolée d’écosystèmes locaux, les informations concernant l’inuline, l’inulinase et les microorganismes producteurs de cette enzyme seront évoquées plus loin dans ce manuscrit

B- Matières riches en sucres simples

La canne et la betterave, sont des végétaux qui englobent énormément de sucre simples. Ils sont obtenus par un processus se basant sur l´extraction au moyen de la mouture ou de la diffusion, et qui pourront être soumis directement à une fermentation. Après la fermentation, le liquide est distillé (figure 3). Il est à noter que le bioéthanol dit « de première génération » est issu de la fermentation des matières premières qui peuvent être utilisées dans une chaîne alimentaire animale ou humaine. En revanche, l’éthanol issu de la fermentation des matières cellulosiques telles que le bois, les feuilles et les tiges des plantes ou celles issues de déchets est qualifié de la deuxième génération (Fujita et al., 2003 ).

Figure 3 : Schéma explicatif de production du Bioéthanol à partir de plusieurs sources de sucres.  
Figure 3 : Schéma explicatif de production du Bioéthanol à partir de plusieurs sources de sucres.  

3.2- Microorganismes utilisés 

Deux types de microorganismes interviennent lors du processus de production d’éthanol, en l’occurrence : ceux qui catalysent l’hydrolyse des polysaccharides en sucres fermentescibles et ceux qui convertissent ces derniers en éthanol (Ohta et al., 1993 ; Nakamura et al., 1996). Par ailleurs, il est à signaler, que certains microorganismes ont la capacité d’effectuer les deux types de réactions en même temps (Yuan et al., 2008).

A- Microorganismes hydrolysant les polysaccharides

Etant donné que la biomasse renferment des sources complexes tels que ; les feuillus et les résineux, les résidus agricoles comme la canne de maïs et les déchets des papiers non recyclable, le développement d’un prétraitement idéel, dans ce cas, reste compliqué et difficile. Ces diverses matières premières ont mené les chercheurs à tester de nombreux procédés allant de l’usage de l’eau chaude et les traitements d’explosion à la vapeur, aux prétraitement aux acides, aux bases et aux solvants (Sun et Cheng, 2002). Toutefois, la désintoxication de la lignine hydrolysée à l’acide présente des coûts supplémentaires pour le processus d’hydrolyse en comparaison aux procédés enzymatiques.L’amidon a été toujours hydrolysé en dextrines et glucoses en utilisant les acides, cependant les enzymes s’avéraient présenter beaucoup plus d’avantages. En effet, la spécificité des réactions enzymatiques permet l’obtention de sucres ayant des propriétés physicochimiques bien définies et l’hydrolyse enzymatique est douce et engendre moins de brunissement (Hsu, 1996).La capacité des levures à produire l’α-amylase et la glucoamylase a été abordée dans plusieurs rapports. Celles-ci incluent Candida tsukubaensis CBS 6389, Filobasisium capsuligenum (Aktinson et Mavituna, 1991), Lipomyces kononenkoae (de Mot et Verachtert, 1985), Lipomyces starkeyi (Spencer- Martins et Van Uden, 1979), Saccharomycopsis bispora (Kelly et al., 1985), Saccharomycopsis capsularis, Saccharomycopsis fibuligera (Ebertova, 1966; Stepanov et al., 1975), Schwanniomyces castelli (Simoes-Mendes, 1984), et Trichosporon pullulans (Silla et al., 1984). Par ailleurs, les enzymes cellulolytiques indispensables à l’hydrolyse de la lignocellulose sont produites par Trichoderma reesei. Ce champignon est apte à métaboliser les pentoses et les hexoses, de plus, il est insensible aux molécules inhibitrices générées dans les matériaux lignocellulosiques (Sharma, 2000).

B- Microorganisme producteurs d’éthanol

Plusieurs rapports et articles de revue ont été publiés sur la fermentation alcoolique effectuée par les levures (tableau 1). Cependant, Saccharomyces cerevisiae qui se développe sur des milieux à base de sucres simples et/ou disaccharides, est reconnu comme un agent qui ne représente aucun risque sur la santé humaine. En plus, cette espèce reste la première à être  exploitée en industrie à travers le monde, grâce à sa résistance aux conditions de production et aux conditionnements industriels.

Tableau 1 Souches de levures produisant l’éthanol comme produit majeur de fermentation (Lin et Tanaka, 2006)
Levures Source de carbone  (g/L) Source d’azote (g/L) Concentration de l’éthanol (g/L) Références
27817 S. cerevisiae Glucose (50- 200) Peptone (2), sulfate d’ammonium (4) (5,1-91,8) Vallet et al., (1996)
30017 K.fragilis Glucose (20- 120) Peptone (2), sulfate d’ammonium (4) 48,96 (max) Vallet et al., (1996)
30016 Kluyveromyces marxianus Glucose (100) Peptone (2), sulfate d’ammonium (4) 44,4 (max) Vallet et al., (1996)
30091- Candida utilis Glucose (100) Peptone (2), sulfate d’ammonium (4) 44,4 (max) Vallet et al., (1996)
27774- Kluyveromyces marxianus Glucose (20- 120) Peptone (2), sulfate d’ammonium (4) 48,96(max) Vallet et al., (1996)
30017- Kluyveromyces fragilis Glucose (20- 120) Peptone (2), sulfate d’ammonium (4) 48,96(max) Vallet et al., (1996)
S. cerevisiae

 

Sucre (150-300) 53 (max) Roukas, (1996)
S. cerevisiae Saccharose (220) Peptone(5), dihydrogène phosphate d’ammonium (1,5)  

96,71

Caylak et Vardar, (1996)
L-041-S. cerevisiae Saccharose (100) Sulfate d’ammonium (24) 50 (max) Leticia et al., (1997)
ATCC-32691 Pachysolen tannophilus Glucose(0-25), xylose (0-25) Peptone(3,6), sulfate d’ammonium (3) 7,8 (max) Sanchez et al., (1999)
ATCC-24860 S.cerevisiae (aérobie) Molasse (1,6- 5) sulfate d’ammonium (0,72- 2) (5-18,4) Ergun et mutlu, (2000)
CMI237- S. cerevisiae Sucre (160) sulfate d’ammonium (0,5) 70( max) Navarro et al., (2000)
V5-S. cerevisiae Glucose (250) Virginnie et al., (2001)
181S.cerevisiae (aérobie) Glucose (10) Peptone (5) Todor et Tsonka, (2002)
A3-S.cerevisiae Galactose (20-150) Peptone,Sulfate d’ammonium, casamino acide  (10) (4,8- 36,8) Da Cruz et al., (2003)
L52- S.cerevisiae Galactose (20-150) Peptone,Sulfate d’ammonium, casamino acide (10) (2,4- 32) Da Cruz et al., (2003)
GCB-K5- S.cerevisiae Saccharose (30) Peptone (5) 27 Kiran et al., (2003)
GCA-II- S.cerevisiae Saccharose (30) Peptone (5) 42 Kiran et al., (2003)
KR- 18 S.cerevisiae Saccharose (30) Peptone (5) 22,5 Kiran et al., (2003)
2399- S.cerevisiae Glucose (31,6) Urée (6,4) 13,7 (max) Yu et Zhang, (2004)

Par ailleurs, la production de l’éthanol à partir du glucose peut être effectuée par diverses bactéries (tableau 2). En effet, la bactérie Zymomonas mobilis, vue sa sensibilité aux conditions de fermentation,  est beaucoup moins exploitée en plus, elle ne fermente que le glucose, le fructose et le sucrose. En revanche,  E. coli est très exploitée car,  elle présente plusieurs avantages incluant la capacité de fermenter un large spectre de sucres, l’indépendance de point de vue de facteurs de croissance complexes et l’adaptation aux conditions industrielles (exemple, son utilisation dans la production des protéines recombinantes). Cependant, certains inconvénients déclassent cette bactérie au profit des levures, dans le domaine de bioindustrie, en particulier, sa résistance insignifiante et la perception du public pour son danger imminent (Lin et Tanaka, 2006).

Tableau 2 Souches de bactéries productrices d’éthanol comme produit majeur de fermentation (Lin et Tanaka, 2006)
Bactéries Concentration de l’éthanol

(Mmol éthanol/Mmol glucose)

Références
Clostridiumindoli (pathogène) 1,96 Miyamoto,(1997)
Clostridium sphenoides  1,8 Miyamoto,(1997)
Clostridium sordelli (pathogène) 1,7 Miyamoto,(1997)
Zymomonas mobilis 1,9 Miyamoto,(1997)
Zymomonas mobilis subsp.pomaceas 1,7 Miyamoto,(1997)
Spirochaetaaurantia 1,5 Miyamoto,(1997)
Spirochaetastenostrepta 0,84 Miyamoto,(1997)
Spirochaetalitoralis 1,1 Miyamoto,(1997)
Erwiniaamylovora 1,2 Miyamoto,(1997)
Leuconostocmesenteroides 1,1 Miyamoto,(1997)
Streptococcus lactis 1,0 Miyamoto,(1997)
Klebsiella aerogenes 24 g /L Ingram et al.,(1998)
Escherichia coli LY01 40-50 g /L Dienet al.,(2003)
Escherichia coliKO11 0,7-0,1 Dienet al.,(2003)
Klebsiella oxytoca 0,94-0,98 Matthew et al., (2005)

En revanche, la production de l’éthanol à partir de la cellulose peut être effectuée par certaines moisissures incluant Monilia sp. (Saddler et Chan, 1982), Neurospora crassa (Gong et al., 1981), Neurospora sp. (Yamauchi et al., 1989), Trichoderma viride (Ito et al., 1990), Paecilomyces sp. (Gervais et Sarrette, 1990), Zygosaccharomyces rouxii (Pastore et al., 1994) et Aspergillus sp. (Sugawara et al., 1994),

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