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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Cinquième partie. Les énergies renouvelables

7. Biomasse aquatique, micro-algues

Jean-Paul Cadoret et Jack Legrand

Texte intégral

Biomasse microalgale

1Les micro-algues (en incluant les cyanobactéries*) sont des êtres unicellulaires utilisant l’énergie de la lumière pour se développer. Avec seulement quelques dizaines d’espèces de micro-algues cultivées (pour quelques centaines de milliers dans le milieu naturel), la production mondiale annuelle est de l’ordre de 10 000 tonnes. Les espèces les plus cultivées sont par ordre décroissant : Arthrospira (la spiruline), qui représenterait 50 % de la production mondiale, suivie par Chlorella, Dunaliella, Haematoccoccus, Nannochloropsis et Ondotella. La production de micro-algues n’a pas encore atteint un stade industriel, notamment en raison de ses coûts encore relativement élevés.

2Les micro-algues présentent l’avantage d’avoir un cycle de reproduction assez court, de l’ordre de la demi-journée pour les plus efficaces, permettant la production importante de biomasse en quantité. Leur développement fait intervenir plusieurs facteurs de croissance et conditions de culture comme : l’eau, les nutriments*, la lumière, le CO 2, la température et le pH* de la culture. En fonction des souches cultivées, l’eau est douce, marine ou saumâtre. Les nutriments nécessaires à leur croissance varient en fonction du mode trophique*, de la souche cultivée et de la source d’eau choisie. Pour le mode photoautotrophe* (c’est-à-dire qui utilise la lumière sans apport de carbone organique), on retrouve principalement l’azote, les phosphates, le fer et la silice (pour les diatomées*), le soufre, les métaux sous forme de traces, et les vitamines. Dans certains cas, des carences en nutriments sont appliquées volontairement dans le but de modifier la croissance et la production de biomasse spécifique. Une carence azotée peut induire, par exemple, un ralentissement de la croissance et une forte accumulation en lipides. Comme pour tout végétal chlorophyllien, la photosynthèse* permet de fixer le carbone atmosphérique ou dissous dans l’eau à partir de l’énergie lumineuse pour produire de la biomasse. La lumière peut être de source naturelle (solaire) ou artificielle (néons, LED*).

3Les micro-algues présentent une très grande diversité de molécules originales au sein de leurs cellules*. Cette biomasse se caractérise par sa richesse en lipides, en protéines*, en vitamines et en antioxydants*. Elles représentent aussi une source importante de quasi toutes les vitamines essentielles : B1, B6, B12, C, E, K1, et possèdent un large panel de pigments, fluorescents ou non, pouvant aussi avoir un rôle d’antioxydants. En plus de la chlorophylle (0,5 à 1 % de la matière sèche) qui est le pigment photosynthétique primaire chez toutes les algues photosynthétiques, on trouve toute une gamme de pigments supplémentaires de type caroténoïdes* (0,1 à 0,2 % de la matière sèche) et phycobiliprotéines*. Le contenu lipidique des micro-algues est essentiellement composé de triglycérides*, de phospholipides*, de glycolipides*, d’acides gras saturés et d’acide gras polyinsaturés (AGPI) comme les oméga-3 ou les oméga-6.

Fig. 1 – À gauche : micro-algue Cylindrotheca closterium. À droite : micro-algue Chlorella vulgaris

4La production de la biomasse algale a évolué au cours du temps. Les micro-algues ont longtemps été cultivées à ciel ouvert, le plus souvent dans des bassins. Les techniques de production ont évolué avec l’apparition de systèmes de culture clos et contrôlés (les photobioréacteurs). Les micro-algues et cyanobactéries* peuvent être cultivées en photoautotrophie, en systèmes ouverts ou fermés, qui peuvent être de tailles et de géométries variées et utiliser la lumière solaire et/ou artificielle, ou par hétérotrophie.

5L’étape de récolte et/ou concentration est une étape importante : elle peut représenter 20 à 30 % des coûts de production de la biomasse algale. Elle est conditionnée en amont par le choix de l’espèce et le mode de culture, mais conditionne à son tour toutes les étapes en aval (extraction, purification, recyclage...). La problématique de cette étape est d’autant plus marquée qu’il existe une grande diversité des souches, présentant des cellules de petite taille pouvant aller de 1 à 100 micromètres et des suspensions très diluées allant de 0,1 à 10 g.L-1.

Biocarburants de troisième génération

6En conditions de culture optimales, la productivité des microalgues peut être élevée (environ 100 t/ha/an en matière sèche) et des rendements sont 2 à 3 fois supérieurs à ceux des cultures terrestres les plus productives. De plus, les surfaces à mobiliser et les ressources en eau et nutriments nécessaires à la culture des micro-algues permettent d’envisager l’absence de concurrence avec la production agricole. En conséquence, les algues constituent un système bioénergétique alternatif aux végétaux, capable de fournir divers vecteurs énergétiques tels que bioéthanol, biogaz ou lipidiques (biodiesel, biokérosène). Si le potentiel de rendement en biomasse des micro-algues est bien supérieur à celui des plantes terrestres et que leur flexibilité métabolique laisse entrevoir des productivités remarquables en lipides ou autres composés énergétiques, plusieurs obstacles majeurs subsistent pour la domestication d’une ou plusieurs espèces d’algues pour la production de bioénergies renouvelables. La biodiversité des micro-algues n’a été par exemple que très peu explorée en vue de telles applications ; les espèces étudiées aujourd’hui le sont davantage en tant qu’espèces modèles. En ce qui concerne les dispositifs de culture à mettre en œuvre, les divers systèmes utilisés à terre pour la production de micro-algues (bassins, lagunes, photobioréacteurs…) n’ont que très rarement dépassé le stade expérimental – ce qui est insuffisant dans un objectif de production à grande échelle propre aux biocarburants. La récolte des algues et l’extraction des lipides sont des étapes capitales dans la mesure où de récentes études réalisées ont démontré que les technologies actuelles mobilisaient davantage d’énergie que ce qu’elles étaient capables de récupérer. Afin d’avoir des analyses environnementales vertueuses, il conviendrait de mettre une priorité sur des extractions en voie humide.

Fig. 2 – À gauche : Photobioréacteur de laboratoire. À droite : Photobioréacteur en aquaculture

7Afin de mieux évaluer et d’optimiser les productivités atteignables et les consommations énergétiques associées, un effort important doit être porté sur le développement de modèles de l’échelle de la cellule à celle du système de production. L’apport des nouveaux concepts de la biologie des systèmes, qui permettent de modéliser très finement les interactions entre les divers flux métaboliques de la cellule, devrait également permettre de pratiquer une véritable ingénierie métabolique et guider le choix des améliorations génétiques à effectuer afin d’obtenir des génotypes* qui soient mieux adaptés à la production de biocarburants et aux méthodes de production de la bio-masse qui seront retenues.

Bibliographie

Références bibliographiques

• J. PERSON – Algues, filières du futur - Livre Turquoise, Adebiotech, 2011.

• ANCRE – Rapport du GP1 « Énergies issues de la biomasse », 2010.

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – À gauche : micro-algue Cylindrotheca closterium. À droite : micro-algue Chlorella vulgaris
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11019/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 347k
Légende Fig. 2 – À gauche : Photobioréacteur de laboratoire. À droite : Photobioréacteur en aquaculture
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11019/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 389k

Auteurs

Biologiste marin et moléculaire, Directeur de Recherche à l’IFREMER, Responsable du Laboratoire PBA, Animateur National IFREMER Algues, Aquaculture et Biotechnologie, Nantes.
jean.paul.cadoret@ifremer.fr

© CNRS Éditions, 2013

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