Comment tirer parti des émissions de gaz à effet de serre ?

Dans un avenir de plus en plus proche, l’utilisation efficace des émissions de gaz à effet de serre (GES) comme ressources pour la génération de matériaux ou de produits à haute valeur ajoutée devient une réalité. La valorisation de ces flux gazeux a gagné en élan au fil des années, s’inscrivant dans des processus biologiques durables et offrant ainsi une alternative aux technologies traditionnelles pour leur élimination. Celles-ci sont connues sous le nom de bioraffineries de GES. Nous allons discuter des types de bioraffineries, des bioproduits qui peuvent être obtenus par leur intermédiaire et d’un exemple de bioraffinerie sur laquelle nous travaillons actuellement.

Dans ce contexte, les bioraffineries de GES (espagnol) se présentent comme des structures intégrées où des processus biotechnologiques transforment ces gaz en biomasse associée à des bioproduits de haute valeur et d’intérêt pour le marché, grâce à l’utilisation de microorganismes. Au cours des dernières décennies, ces traitements biologiques se sont imposés comme des technologies prometteuses, non seulement par leur efficacité, mais aussi par leur facilité d’intégration dans des modèles d’économie circulaire. Les microorganismes utilisés dans ces systèmes sont majoritairement capables de fonctionner à pression et température ambiantes, nécessitant ainsi moins d’énergie par rapport aux traitements physico-chimiques pour l’élimination des GES.

Cependant, le défi de ces technologies réside dans l’approfondissement de la compréhension de la microbiologie de ces processus et dans le développement de systèmes qui maximisent le transfert de gaz afin de garantir des rendements élevés à grande échelle.

Bioproduits de haute valeur pouvant être obtenus dans ces bioraffineries

Le développement des biotechnologies pour la bioconversion des gaz C1 a progressé de manière significative ces dernières années, rendant relativement simple la création de valeur ajoutée par la bioconversion directe de flux de méthane (CH4) ou de CO2 en certains bioproduits, dans des industries telles que celles de l’alimentation et des boissons, les installations de gestion des déchets ou les usines de biogaz ou de bioéthanol.

Certains des bioproduits qui ont été largement étudiés en relation avec les bioraffineries de CH4 sont :

• Les biopolymères ou polyhydroxyalcanoates (PHA) sont l’une des options les plus étudiées pour la valorisation du CH4, principalement parce qu’ils offrent une alternative plus durable aux analogues pétrochimiques conventionnels tels que le polyéthylène et le polypropylène.
• L’ectoïne, un acide imino cyclique qui stabilise efficacement les enzymes, les acides nucléiques et les complexes ADN-protéines, est un bioproduit de grande valeur commerciale pour l’industrie pharmaceutique, les cosmétiques étant son principal domaine d’application.
• Les composés antibactériens produits par certaines cultures méthanotrophes (comme Methylocystis minimus et Methylobacter luteus) ont un grand potentiel dans la lutte contre la résistance aux antibiotiques.
• La protéine unicellulaire (SCP), également connue sous le nom de protéine microbienne unicellulaire, mène un vaste champ de recherche tant dans le milieu industriel qu’académique. C’est l’un des produits les plus avancés des bioraffineries de méthane et il est largement accepté dans les marchés de l’aquaculture, de la mariculture et des aliments pour animaux. Des produits commerciaux fabriqués avec des méthanotrophes, tels que FeedKind™ (Calysta, États-Unis) et Uniprotein™ (Unibio A/S, Danemark), sont approuvés par l’UE (Directive 95/33/CE) pour une utilisation dans les aliments protéinés pour le saumon et le bétail.

Figure 2 : Biomasse riche en protéines Uniprotein®. Source : Unibio.

Alternatives pour réduire la dépendance au pétrole et au gaz fossile dans la production chimique

n ce qui concerne les bioraffineries de CO2, il existe de nombreuses technologies pour sa capture et son utilisation (CCU). En plus des plus connues, qui produisent des biocarburants comme produits finaux, les processus de CCU utilisant le CO2 comme matière première offrent une alternative supplémentaire pour réduire la dépendance au pétrole et au gaz fossile dans la production de produits chimiques et d’autres matériaux. Quelques exemples de ces applications incluent :

• Production de biocarburants : Le cas de la production de méthanol à partir de CO2 a été largement développé, atteignant des niveaux comme celui de l’usine de Carbon Recycling International. Cette usine a été développée dans le cadre d’un projet visant à atteindre une capacité de production annuelle de 110 000 tonnes (330 tonnes par jour).
• Différents biopolymères ont été produits à partir de technologies CCU. Un exemple intéressant est l’entreprise allemande Covestro qui, après avoir réussi à produire des fibres textiles et des mousses pour matelas, a rapporté en 2021 la production réussie de tensioactifs à partir de CO2, présentant de bonnes propriétés de lavage et de biodégradabilité.
• La production d’acides organiques est également notable, comme l’acide formique par conversion électrochimique ou l’acide succinique par fermentation bactérienne. Ces types de bioproduction, aboutissant à des composés d’intérêt pour l’industrie chimique, s’inscrivent dans les technologies Gas2Chemicals.

Figure 3 : Schéma de bioconversion du CO2. Source : CO2Value.

Gas2Chemicals : NEOSUCCESS

Le projet NEOSUCCESS, faisant partie du programme d’Innovation et de Développement H2020 de l’Union européenne, se concentre sur l’extensibilité et l’introduction sur le marché d’une unité industrielle conteneurisée, capable de réaliser simultanément la purification du biogaz en biométhane et les processus de production d’acide biosuccinique de deuxième génération (espagnol).

AINIA, en tant qu’entité sous-traitée par IVEM et NORVENTO, agit en tant que partenaire stratégique en innovation, soutenant les tâches techniques et la commercialisation de la technologie.

La technologie soutenant cet ambitieux projet repose sur l’utilisation d’une souche bactérienne capable de capter le CO2 du flux de biogaz, de le purifier en biométhane, et de métaboliser les sucres présents dans les résidus sucrés grâce à une fermentation en une mixture d’acides, dont l’acide biosuccinique.

Malgré un démarrage retardé en raison de la pandémie de COVID-19, le projet NEOSUCCESS continue d’atteindre des jalons dans sa deuxième année. En 2022, les universités partenaires du projet, DTU et AUTH, ont accéléré leur recherche technologique à travers des tests en laboratoire et des optimisations axées sur l’obtention d’une souche bactérienne améliorée permettant des taux plus élevés de biométhane et d’acide biosuccinique. De plus, les paramètres de conception et de processus ont été ajustés, un élément clé pour le pilotage ultérieur de la sous-unité industrielle à la station d’épuration de Paterna (Valence).

De plus, les entreprises d’ingénierie au sein du consortium, IVEM et NORVENTO, ont achevé la mise en service des sous-unités UpStream (USP) et DownStream (DSP). Après l’installation de la sous-unité DSP au premier trimestre 2022, les premiers tests ont été effectués avec le résidu sucré fourni par une usine de confiserie. À la suite de ces tests, il est attendu que les essais restants fournissent des données consolidant cette technologie comme un outil puissant pour l’économie circulaire.

ODD dans les bioraffineries de GES

Avec les technologies de bioconversion des gaz, qui sont une pierre angulaire de ces bioraffineries, des contributions sont apportées aux ODD tels que le 7 (Énergie abordable et propre), le 9 (Industrie, innovation et infrastructure), le 11 (Villes et communautés durables) et le 13 (Action climatique), entre autres.