Production d'éthanol a partir de biomasse lignocellulosique Ethanol Production from Lignocellulosic Biomass

Abstract

Cette étude fait le point des connaissances scientifiques et techniques dans le domaine de la production alcoolique à partir de susbstrats lignocellulosiques. Ce travail, réalisé dans le cadre d'Agrice (Agriculture pour la chimie et l'énergie), est une synthèse bibliographique qui a cherché à identifier les avancées capables de débloquer certains verrous technologiques et économiques liés à ce type de procédé. La biomasse lignocellulosique est un substrat complexe, constitué des trois principales fractions que sont la cellulose, les hémicelluloses et la lignine. Le procédé de production d'éthanol consiste à récupérer par hydrolyse le maximum de sucres issus à la fois des fractions cellulosiques et hémicellulosiques, puis de fermenter ces sucres en éthanol. Les premiers procédés d'hydrolyse utilisés étaient surtout chimiques, mais ils sont peu compétitifs à l'heure actuelle, en raison notamment du coût des réactifs et de la formation de nombreux sous-produits et de composés inhibiteurs rendant les hydrolysats peu fermentescibles. Ils sont désormais concurrencés par les procédés enzymatiques, plus spécifiques et qui permettent de meilleurs rendements d'hydrolyse dans des conditions moins sévères. Cependant, la biomasse lignocellulosique n'est pas directement accessible aux enzymes, et elle doit subir au préalable une phase de prétraitement dont l'objectif est d'améliorer la susceptibilité à l'hydrolyse enzymatique de la cellulose et éventuellement d'hydrolyser la fraction hémicellulosique en sucres monomères. Parmi les nombreuses méthodes de prétraitement qui ont été étudiées, nous en avons identifié trois répondant au mieux aux objectifs précédemment cités : le prétraitement à l'acide dilué, l'explosion à la vapeur avec utilisation d'un catalyseur, et la thermohydrolyse. Ces trois méthodes permettraient d'atteindre des rendements d'hydrolyse enzymatique de la cellulose proches de 100 %, tout en permettant un taux d'hydrolyse des hémicelluloses supérieur à 80 %, et en minimisant la formation de composés de dégradation. L'hydrolyse enzymatique doit encore être améliorée afin de réduire le coût lié à la consommation d'enzymes. Les principales voies de recherche devraient porter sur l'amélioration de l'activité des cellulases, afin de se rapprocher le plus possible de celles d'enzymes telles que les amylases. Le développement du procédé SFS (saccharification et fermentation simultanées) permet d'améliorer l'efficacité des enzymes en minimisant les réactions d'inhibition des enzymes par les produits formés. Son inconvénient est lié aux différences entre les températures optimales de l'hydrolyse enzymatique et de la fermentation. La recherche de micro-organismes conservant de bonnes performances fermentaires à température élevée doit donc se poursuivre. Un autre verrou technologique du procédé concerne la fermentation alcoolique des pentoses, qui peuvent représenter jusqu'à 25 à 40 % des sucres totaux contenus dans la biomasse lignocellulosique. C'est pourquoi il est indispensable de les valoriser en éthanol. Contrairement à la fermentation alcoolique du glucose, largement connue et maîtrisée, celle des pentoses n'est toujours pas résolue, en raison des performances fermentaires médiocres des micro-organismes utilisés. Le développement des outils génétiques et les nouvelles voies de recherche portant sur la transformation de Saccharomyces cerevisiae et de Zymomonas mobilis afin de leur faire acquérir la capacité à fermenter les pentoses, devraient permettre d'améliorer les performances, et éventuellement de se rapprocher de celles enregistrées sur glucose par Saccharomyces Cette étude fait le point des connaissances scientifiques et techniques dans le domaine de la production alcoolique à partir de susbstrats lignocellulosiques. Ce travail, réalisé dans le cadre d'Agrice (Agriculture pour la chimie et l'énergie), est une synthèse bibliographique qui a cherché à identifier les avancées capables de débloquer certains verrous technologiques et économiques liés à ce type de procédé. La biomasse lignocellulosique est un substrat complexe, constitué des trois principales fractions que sont la cellulose, les hémicelluloses et la lignine. Le procédé de production d'éthanol consiste à récupérer par hydrolyse le maximum de sucres issus à la fois des fractions cellulosiques et hémicellulosiques, puis de fermenter ces sucres en éthanol. Les premiers procédés d'hydrolyse utilisés étaient surtout chimiques, mais ils sont peu compétitifs à l'heure actuelle, en raison notamment du coût des réactifs et de la formation de nombreux sous-produits et de composés inhibiteurs rendant les hydrolysats peu fermentescibles. Ils sont désormais concurrencés par les procédés enzymatiques, plus spécifiques et qui permettent de meilleurs rendements d'hydrolyse dans des conditions moins sévères. Cependant, la biomasse lignocellulosique n'est pas directement accessible aux enzymes, et elle doit subir au préalable une phase de prétraitement dont l'objectif est d'améliorer la susceptibilité à l'hydrolyse enzymatique de la cellulose et éventuellement d'hydrolyser la fraction hémicellulosique en sucres monomères. Parmi les nombreuses méthodes de prétraitement qui ont été étudiées, nous en avons identifié trois répondant au mieux aux objectifs précédemment cités : le prétraitement à l'acide dilué, l'explosion à la vapeur avec utilisation d'un catalyseur, et la thermohydrolyse. Ces trois méthodes permettraient d'atteindre des rendements d'hydrolyse enzymatique de la cellulose proches de 100 %, tout en permettant un taux d'hydrolyse des hémicelluloses supérieur à 80 %, et en minimisant la formation de composés de dégradation. L'hydrolyse enzymatique doit encore être améliorée afin de réduire le coût lié à la consommation d'enzymes. Les principales voies de recherche devraient porter sur l'amélioration de l'activité des cellulases, afin de se rapprocher le plus possible de celles d'enzymes telles que les amylases. Le développement du procédé SFS (saccharification et fermentation simultanées) permet d'améliorer l'efficacité des enzymes en minimisant les réactions d'inhibition des enzymes par les produits formés. Son inconvénient est lié aux différences entre les températures optimales de l'hydrolyse enzymatique et de la fermentation. La recherche de micro-organismes conservant de bonnes performances fermentaires à température élevée doit donc se poursuivre. Un autre verrou technologique du procédé concerne la fermentation alcoolique des pentoses, qui peuvent représenter jusqu'à 25 à 40 % des sucres totaux contenus dans la biomasse lignocellulosique. C'est pourquoi il est indispensable de les valoriser en éthanol. Contrairement à la fermentation alcoolique du glucose, largement connue et maîtrisée, celle des pentoses n'est toujours pas résolue, en raison des performances fermentaires médiocres des micro-organismes utilisés. Le développement des outils génétiques et les nouvelles voies de recherche portant sur la transformation de Saccharomyces cerevisiae et de Zymomonas mobilis afin de leur faire acquérir la capacité à fermenter les pentoses, devraient permettre d'améliorer les performances, et éventuellement de se rapprocher de celles enregistrées sur glucose par Saccharomyces cerevisiae. The reported study intends to describe the state of the art in the domain of ethanol production from lignocellulosic biomass. It was sustained and managed by a specialized group of the French Agrice (Agriculture for Chemical and Energy Organization). Its first goal was to pinpoint the main technical and economical bottlenecks of the processes which are today under consideration, and to identify which research and development efforts could be implemented to overcome them (in the short or middle term). Lignocellulosic biomass is a complex substrate, and essentially made of cellulose, hemicellulose and lignin. The processes which have been considered, attempt to recover a maximum amount of sugars from the hydrolysis of cellulose and hemicellulose, and to ferment them into ethanol. The hydrolysis processes used in the past are essentially chemical processes, but the acid recovery costs and the formation of toxic products make them uncompetitive. They are now substituted by enzymatic processes, which are more specific and allow higher hydrolysis yields under less severe conditions. However, the cellulose that is the target of the enzymatic hydrolysis, is not directly accessible to the enzymes. It is the reason why a pretreatment step has to precede the enzymatic hydrolysis, in order to improve the enzymatic susceptibility of the cellulose, and to hydrolyse the hemicellulosic fraction. Different types of pretreatment have been studied, but three methods appear more efficient: dilute acid hydrolysis, steam explosion with catalyst addition and thermohydrolysis. These pretreatments could result in high hydrolysis yields of the cellulose fraction (close to 100%), and in a maximum recovery of the sugars from the hemicellulosic fraction. Enzymatic hydrolysis has yet to be improved in order to reduce the cost of consumption of the enzymes. Research works will have to focus upon the enzyme specific activity, in order to achieve higher efficiencies such as those obtained with amylases. The SSF (Saccharfication and Simultaneous Fermentation) process improves the enzyme efficiency by reducing the feed-back inhibition from the hydrolysis products. The screening of efficient fermentative microorganisms under high temperature conditions (45°C) has thus to be further implemented. The last technological barrier of the process concerns the ethanolic fermentation of the pentoses. Indeed, the pentoses, originating from the hemicellulosic fraction, can represent up to 40% of total sugars in some lignocellulosic substrates. Nobody has yet identified a microorganism which is able to ferment the pentoses into ethanol with performances similar to those of Saccharomyces cerevisiae on glucose. But recent genetic improvements focused on the transformation of Saccharomyces cerevisiae and Zymomonas mobilis could result in good fermentative performances on pentoses. The reported study intends to describe the state of the art in the domain of ethanol production from lignocellulosic biomass. It was sustained and managed by a specialized group of the French Agrice (Agriculture for Chemical and Energy Organization). Its first goal was to pinpoint the main technical and economical bottlenecks of the processes which are today under consideration, and to identify which research and development efforts could be implemented to overcome them (in the short or middle term). Lignocellulosic biomass is a complex substrate, and essentially made of cellulose, hemicellulose and lignin. The processes which have been considered, attempt to recover a maximum amount of sugars from the hydrolysis of cellulose and hemicellulose, and to ferment them into ethanol. The hydrolysis processes used in the past are essentially chemical processes, but the acid recovery costs and the formation of toxic products make them uncompetitive. They are now substituted by enzymatic processes, which are more specific and allow higher hydrolysis yields under less severe conditions. However, the cellulose that is the target of the enzymatic hydrolysis, is not directly accessible to the enzymes. It is the reason why a pretreatment step has to precede the enzymatic hydrolysis, in order to improve the enzymatic susceptibility of the cellulose, and to hydrolyse the hemicellulosic fraction. Different types of pretreatment have been studied, but three methods appear more efficient: dilute acid hydrolysis, steam explosion with catalyst addition and thermohydrolysis. These pretreatments could result in high hydrolysis yields of the cellulose fraction (close to 100%), and in a maximum recovery of the sugars from the hemicellulosic fraction. Enzymatic hydrolysis has yet to be improved in order to reduce the cost of consumption of the enzymes. Research works will have to focus upon the enzyme specific activity, in order to achieve higher efficiencies such as those obtained with amylases. The SSF (Saccharfication and Simultaneous Fermentation) process improves the enzyme efficiency by reducing the feed-back inhibition from the hydrolysis products. The screening of efficient fermentative microorganisms under high temperature conditions (45°C) has thus to be further implemented. The last technological barrier of the process concerns the ethanolic fermentation of the pentoses. Indeed, the pentoses, originating from the hemicellulosic fraction, can represent up to 40% of total sugars in some lignocellulosic substrates. Nobody has yet identified a microorganism which is able to ferment the pentoses into ethanol with performances similar to those of Saccharomyces cerevisiae on glucose. But recent genetic improvements focused on the transformation of Saccharomyces cerevisiae and Zymomonas mobilis could result in good fermentative performances on pentoses.