Projet ANR-12-BIME-0009 – STOCKACTIF : Stockage actif de la biomasse pour faciliter sa transformation industrielle
Programme : Bio-Matières et Energies (Bio-ME)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Jean TAYEB (Fractionnement des Agroressources et Environnement)
Partenaires : Biogéochimie et Écologie des Milieux Continentaux; Unité de Biotechnologie des Champignons Filamenteux; ENVOLURE; ETABLISSEMENTS J. SOUFFLET; Fractionnement des Agroressources et Environnement; Ingénierie des Agropolymères et Technologies Émergentes; Laboratoire de Biotechnologie de l'Environnement; SOLAGRO; VIVESCIA
Montant : 904220.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 42 mois
Résumé : Faciliter la transformation industrielle de la biomasse en pilotant son stockageCe projet a pour objectif d’utiliser le temps de stockage de la biomasse, entre le champ et l’usine, pour mettre en oeuvre des processus naturels permettant de faciliter son traitement ultérieur. Cela nécessite cependant de savoir piloter ces processus pour ne pas perdre les caractéristiques attendues lors de la transformation finale (par exemple potentiel éthanol ou potentiel biogaz).
Déconstruire la biomasse lignocellulosique en utilisant des champignons lignolytiquesLes parties non alimentaires des plantes (paille, bois, etc…) sont constituées de lignocellulose qui est un assemblage particulièrement résistant qu’il faut « déconstruire » en tête d’usine dans la plupart des procédés de transformation de cette biomasse. Cette étape est fortement consommatrice d’énergie (broyage, cuisson, explosion à la vapeur, …) et en général consommatrice de réactifs chimiques (traitement acides, alcalins, organosolv, …) qu’il faut ensuite éliminer et qui dégradent le bilan environnemental. Une matière première pré-conditionnée qui permettrait de diminuer la sévérité du prétraitement ou de le supprimer serait donc un gain appréciable, du point de vue énergétique et environnemental.Or la Nature a mis au point des outils biologiques permettant de déconstruire naturellement la biomasse lignocellulosique : ce sont ceux qu’emploient par exemple les champignons lignolytiques. Par contre, ces systèmes nécessitent des temps d’action longs (plusieurs semaines), incompatibles avec des procédés industriels. D’où l’idée de profiter du temps de stockage pour les mettre en œuvre. Ce concept se rapproche de celui du « bio-pulping » papetier, qui date d’une dizaine d’année, mais qui n’a pas connu de succès dans cette industrie très traditionnelle.Il faut cependant que cette transformation naturelle conserve les caractéristiques valorisables de la biomasse : la principale question à résoudre est alors de contrôler la balance entre la transformation souhaitée de la lignine et celle non souhaitée des sucres durant un tel stockage, mais d’autres problèmes se posent comme la compétition entre les souches ajoutées et la flore endogène ou le pilotage du procédé pour orienter le métabolisme.
Optimiser le système en maîtrisant ses paramètresLe projet se propose d’aborder la question du pilotage du stockage de la biomasse en utilisant les méthodologies de la fermentation en milieu solide (FMS) appliquée au cas des champignons lignolytiques. Il s’intéresse à deux substrats modèles : la paille pour l’application biogaz, et le miscanthus pour l’application bio-éthanol. Des sous-produits à valeur ajoutée de la lignine seront aussi recherchés, que l’on peut espérer obtenir grâce à la transformation enzymatique « douce » réalisée par les champignons.Les travaux prévus sont principalement cognitifs, car il est nécessaire de bien comprendre l’effet des différentes variables pour imaginer une solution optimisée. Ils sont organisés selon quatre tâches principales :•	le choix du/des champignons adaptés et la détermination des conditions d’ensemencement ;•	l’identification des paramètres de conduite de la FMS grâce à  la mesure fine des activités biologiques durant cette fermentation, par des méthodes innovantes (transcriptomique, fluorimétrie 3D, pyrolyse GC-MS) ;•	la caractérisation des produits obtenus vis à vis des étapes ultérieures du procédé, notamment du broyage et de la transformation en éthanol et en biogaz ;•	l’impact du pré-conditionnement fongique sur le bilan technico-économique et environnemental, selon une logique d’écoconception.Grâce aux partenaires industriels, les solutions identifiées pourront être testées en fin de projet dans des configurations pré-industrielles.
Résumé de la soumission : L’idée qui sous-tend ce projet de «stockage actif » est d’utiliser la période comprise entre la récolte de la biomasse et son utilisation en usine pour mettre en oeuvre des processus biologiques de type ligninolytiques permettant de faciliter sa déconstruction ultérieure. Toutes proportions gardées, il s’agirait d’une sorte d’ensilage piloté adapté aux nouvelles utilisations de la biomasse, c’est à dire conservant son potentiel de transformation en énergie (bio-éthanol, biogaz) ou en synthons (par la fermentation ultérieure des sucres ou par l’extraction de composés phénoliques).La principale question à résoudre est évidemment de contrôler la balance entre la transformation de la lignine et celle des sucres durant un tel stockage, mais d’autres problèmes se posent comme l’installation des souches ajoutées vis à vis de la flore endogène ou le pilotage du procédé. Le présent projet se propose de les aborder en utilisant les méthodologies de la fermentation en milieu solide (FMS) appliquée au cas des champignons ligninolytiques.Le gain pourrait être à la fois énergétique et environnemental : en effet, pour toutes les voies d’utilisation de la biomasse, la phase de réduction de taille puis de prétraitement est une étape fortement consommatrice d’énergie (broyage, cuisson, explosion à la vapeur, …) et en général consommatrice de réactifs chimiques (traitement acides, alcalins, organosolv, …) qu’il faut ensuite éliminer et qui dégradent le bilan environnemental. Une matière première pré-conditionnée qui permettrait de diminuer la sévérité du prétraitement ou de le supprimer serait donc un gain appréciable. Dans le cas du biogaz, une matière première pré-conditionnée pourrait voir son champ d’utilisation élargie si ses cinétiques de biodégradation se rapprochent de celles de matières couramment utilisées.Tout en s’inspirant des travaux réalisés il y a une dizaine d’années sur le « biopulping » dans le domaine papetier, ce projet se propose d’apporter des éléments de réponses nouveaux vis à vis de plusieurs enjeux :- Conserver le maximum de « potentiel d’utilisation de la biomasse » possible- Identifier les paramètres permettant de conduire le stockage pour aboutir au degré de transformation désiré, de façon reproductible, y compris vis à vis des risques de contamination par des bactéries utilisatrices de sucres- Etablir le bilan technico-économique entre la diminution éventuelle de potentiel d’utilisation et la facilitation du prétraitement ou de la méthanisation, notamment en termes énergétique et environnemental- Envisager la mise en œuvre de ce principe de stockage actif de façon simple, réaliste et peu coûteuse en comparant diverses solutionsLes travaux prévus sont principalement cognitifs, car il nécessaire de bien comprendre l’effet des différentes variables pour imaginer une solution optimisée. Ils sont organisés selon quatre tâches principales :- le choix du/des champignons adaptés et la détermination des conditions d’ensemencement- l’identification des paramètres de conduite de la FMS et la mesure fine des activités biologiques durant cette fermentation- la caractérisation des produits obtenus vis à vis des étapes ultérieures du procédé, notamment du broyage et de la transformation en éthanol et en biogaz- l’impact du pré-conditionnement fongique sur le bilan technico-économique et environnemental, selon une logique d’écoconception.Grâce aux quatre partenaires industriels, les solutions identifiées pourront être testées en fin de projet dans des configurations pré-industrielles. Cette étape sera aussi l’occasion de tester un dispositif de mesure sur site des réactions biologiques complexes, qu’une start-up prévoit de développer  dans le cadre de ce projet. La participation industrielle est aussi un gage de focalisation des cinq équipes de recherche amont vers des configurations expérimentales et des conditions opératoires réalistes et robustes.
Résultats : Le projet est en phase de démarrage, mais la « preuve de concept » de l’obtention d’échantillons transformés par fermentation en milieu solide a été acquise.
Une méthode originale à moyen débit (quelques dizaines d’échantillons par semaine) a été mise au point pour identifier (« screening ») les souches de champignons les plus performantes parmi 250 souches candidates environ.
Les méthodes de mesure de l’avancement des réactions, à la fois biochimiques, compositionnelles et mécaniques sont en cours d’évaluation.
Perspectives : Toutes proportions gardées, si ce projet aboutit, il s’agirait de mettre en pratique une sorte d’ensilage piloté adapté aux nouvelles utilisations de la biomasse, c’est à dire conservant son potentiel de transformation en énergie (bio-éthanol, biogaz) ou en synthons (par la fermentation ultérieure des sucres). Par rapport à l’ensilage classique, plusieurs difficultés seront à surmonter : développer un système d’ensemencement simple et efficace mais permettant une colonisation rapide pour éviter le développement de la flore endogène, trouver une configuration matérielle robuste et rustique qui permette une fermentation aérobie (nécessité de souffler de l’air) et pouvoir piloter cette fermentation pour que la matière ne soit ni trop ni pas assez transformée lorsqu’elle arrivera à l’usine, malgré des conditions initiales et extérieures variables.
Publications et brevets : .