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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Cinquième partie. Les énergies renouvelables

8. Les promesses des micro-algues pour la production de biodiesel

Antoine Sciandra et Gilles Peltier

Texte intégral

1Rudolf Diesel avait originellement conçu son moteur à explosion pour qu’il puisse fonctionner avec de l’huile de palme. Celle-ci fut cependant rapidement remplacée par du gazole issu de matières fossiles car il était économiquement plus compétitif. Un siècle plus tard, la montée en flèche du cours du baril remettait sur le devant de la scène l’usage des acides gras contenus dans les huiles végétales (colza, tournesol, soja, palme…). Bien que faible et restreinte par la disponibilité des surfaces agricoles, la production de biocarburants présente l’avantage d’utiliser une ressource gratuite et éternelle. En effet, le Soleil est la source d’énergie qui, par le biais de la photosynthèse*, permet la transformation du CO2 atmosphérique en molécules organiques qui constituent la matière vivante. Parmi celles-ci figurent les lipides, dont certaines familles, les triglycérides*, sont aisément convertibles en biodiesel par des réactions de transestérification*. Photosynthétiques et riches en lipides, les plantes oléagineuses à l’origine des biocarburants dits « de première génération », sont actuellement en phase d’être concurrencées par les micro-algues marines ou d’eau douce (à la source des biocarburants dits de « troisième génération » – cf. V.8), organismes unicellulaires microscopiques également photosyn thétiques et accessoirement riches en lipides. Leur vitesse de croissance est sans commune mesure avec celle des plantes terrestres, puisqu’ils peuvent doubler, tripler, voire quadrupler leur masse chaque jour. Ainsi, les biocarburants de troisième génération constituent-ils une filière dont le potentiel est indéniable. Mais des verrous importants, qui sont aussi sources de défis passionnants pour la recherche, doivent être levés pour la rendre économiquement viable. En amont de la production de biomasse algale, le choix et la domestication des espèces, les caractéristiques et les sources d’approvisionnement en éléments nutritifs (azote, phosphore, etc.), le mode de culture (bioréacteur* vs raceways*, géométrie, éclairage, agitation) sont des questions complexes car interdépendantes. En aval, la récupération des microalgues, l’extraction des lipides (ainsi que d’autres molécules d’intérêt), et leur transformation en biocarburants adaptés aux moteurs modernes requièrent des procédés énergétiquement moins coûteux et plus propres que ceux utilisés aujourd’hui, qui devront répondre aux critères résultant de l’analyse du cycle de vie de l’ensemble de la filière, pour que celle-ci bénéficie du label d’énergie propre, qui concilie enjeux économiques et environnementaux.

Exploitation et domestication des micro-algues

2Les micro-algues, d’une diversité considérable, ont colonisé toutes sortes d’environnements terrestres ou marins en développant des stratégies d’adaptation complexes. Ainsi, en réponse à des conditions défavorables du milieu, comme une carence en éléments nutritifs, certaines espèces accumulent des sucres (amidon) ou des lipides de réserve (constitués pour l’essentiel de triglycérides) en quantités importantes. Une des voies d’exploration consiste à rechercher la combinaison des conditions de croissance (nutritionnelle, lumineuse et thermique) qui stimulent les adaptations naturelles (phénotypiques) les plus propices à l’accumulation cellulaire de molécules d’intérêt. En appliquant ces conditions aux dispositifs de culture, on espère ainsi en « optimiser » la production. Cependant, la suraccumulation de molécules d’intérêt étant souvent le fruit d’un dérèglement métabolique, elle s’accompagne d’une baisse de la vitesse de croissance de l’organisme, et donc de la production du métabolite au niveau de la culture. On voit alors que le levier représenté par la plasticité adaptative des micro-algues pose un problème complexe de détermination des conditions de cultures optimales pour la production.

Photographie d’une Diatomée du genre Corethron, isolée en Arctique. © John Dolan, LOV

3Dans le milieu naturel, les microalgues sont en compétition vis-à-vis des autres organismes pour l’utilisation des ressources (lumière, nutriments*). Elles ont donc développé des mécanismes efficaces pour survivre à des conditions du milieu fluctuantes et parfois très défavorables. Dans un milieu de culture très contrôlé, comme au laboratoire, nombre de ces mécanismes sont inutiles, voire pénalisants car coûteux en énergie. L’objectif des scientifiques est de rechercher les espèces les plus adaptées en fonction des modes de culture, de récolte ou de traitement de la biomasse. La production de micro-algues via des systèmes extensifs peu productifs de type lagunage* ne nécessite que peu de travail de domestication car ces milieux naturels permettent aux espèces sauvages d’exprimer leur potentiel (notamment la capacité à entrer en compétition avec d’autres espèces). À l’opposé, les systèmes très intensifs, tels que les photobioréacteurs, nécessiteront de développer des espèces adaptées qui pourront exprimer leur plein potentiel de production dans un milieu très contrôlé.

4Aussi, une autre voie de recherche poursuivie a pour but la domestication des espèces qui, on le voit, est d’autant plus nécessaire que les systèmes de culture envisagés sont contrôlés et différents du milieu naturel. Chez les plantes supérieures, il a été montré que la domestication des graminées*, réalisée au cours des âges par des techniques de croisement et de sélection, ne concernait qu’un nombre réduit de gènes. L’objectif de la domestication des micro-algues est d’identifier les quelques gènes-clés permettant de réorienter le métabolisme cellulaire vers la synthèse de composés d’intérêt. Les informations de génomique aujourd’hui disponibles sur un nombre croissant d’espèces de micro-algues, la possibilité d’étudier finement les régulations de gènes et les voies métaboliques, alliés à la mise au point d’outils génétiques puissants, nous permettent aujourd’hui d’envisager une domestication des espèces sauvages de micro-algues sur des temps beaucoup plus courts que les 7 000 à 10 000 ans nécessaires à la domestication du maïs.

Les défis de la recherche

5Des recherches conduites dans la durée sur programmes intégrés sont donc nécessaires. Elles permettront d’aborder simultanément les questions qui se posent à tous les niveaux de la filière, faisant appel à un large spectre de compétences et de connaissances fondamentales en biologie (biodiversité, écophysiologie*, écologie, génomique, biologie moléculaire), physique (turbulence, optique, transfert radiatif, thermodynamique), mathématique (modélisation, optimisation, contrôle), chimie (analytique, combustion), économie, etc., appliquées à des systèmes d’échelles variées (molécules, organismes, cultures de laboratoire, mésocosmes*, pilotes, démonstrateurs préindustriels*, étangs à haut rendement).

Bibliographie

Références bibliographiques

• O. BERNARD et A. SCIANDRA – Des micro-algues numériques, La Recherche, n° 421, 2008.

• A. SCIANDRA – La promesse des nouveaux biocarburants, Journal du CNRS, n° 226, 2008.

• A. SCIANDRA – Des algues bientôt à la pompe, Science et Vie, n° 1097, 2009.

• Y. LI-BEISSON et G. PELTIER – Biocarburants : le défi des microalgues, Pour la science, n° 73, 2011.

• G. PELTIER – Quand nos voitures rouleront aux algues, Les dossiers de La Recherche, hors-série n° 47, 2012.

Table des illustrations

Légende Photographie d’une Diatomée du genre Corethron, isolée en Arctique. © John Dolan, LOV
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11022/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 367k

Auteurs

Océanographe biologiste, Directeur de Recherche au CNRS, Directeur du LOV, Villefranche-sur-Mer.
sciandra@obs-vlfr.fr

Ingénieur agronome et biologiste, Directeur de Recherche au CEA, Chef du Laboratoire de Biologie et Biotechnologie des Microalgues, CEA Cadarache, St-Paul-lez-Durance.
gilles.peltier@cea.fr

© CNRS Éditions, 2013

Conditions d’utilisation : http://www.openedition.org/6540

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