Production d'éthanol par conversion biologique de biomasse lignocellulosique

1. 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

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

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

4. Gasoline Diesel Gasoline Diesel World USA 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. 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

5. 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

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

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

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

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

10. Bioéthanol: le procédé (2)Le prétraitement • 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

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

12. Bioéthanol: le procédé (4)L'hydrolyse • 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

13. Bioéthanol: le procédé (5)La fermentation et la distillation • Fermentation • 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

14. 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

15. 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

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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