Biocarburants : produire de l'éthanol à partir de matière cellulosique

Les biocarburants sont des carburants dérivés de matières biologiques, telles que les plantes. Les biocarburants constituent une alternative aux combustibles fossiles, car ils peuvent provenir de cultures dans de nombreuses régions du monde. De plus, ils brûlent plus proprement, réduisant ainsi les émissions de gaz à effet de serre.

L’un des biocarburants les plus utilisés est l’éthanol dérivé de la biomasse végétale, généralement la canne à sucre et le maïs. Aux États-Unis, la majorité du biocarburant à l’éthanol est produite à partir de maïs.

L’utilisation des cultures de maïs comme matière première est controversée, car la culture du maïs est énergivore, utilise une grande quantité d’engrais et son utilisation comme matière première élimine une grande quantité de maïs de l’approvisionnement alimentaire, en particulier des aliments pour le bétail. En conséquence, l’utilisation d’autres matières végétales ou lignocellulosiques, telles que l’herbe, les feuilles, le papier et les parties non comestibles des cultures, augmente.

Cette vidéo couvrira les bases de la dérivation de l’éthanol à partir de matériaux lignocellulosiques et démontrera la production d’éthanol à partir de matières premières lignocellulosiques en laboratoire.

La biomasse lignocellulosique fait référence à la matière végétale avec des parois cellulaires ligneuses. Ce type de matière végétale est l’une des matières premières les plus abondantes disponibles, car il s’agit souvent d’un déchet de l’agriculture et de l’industrie manufacturière.

Les parois cellulaires sont composées d’un polymère hautement réticulé, la lignine, et de deux glucides complexes, l’hémicellulose et la cellulose. La cellulose est la principale source de sucres fermentescibles, tels que le glucose, mais elle doit d’abord être séparée des composants de la lignine et de l’hémicellulose.

La première étape du traitement de la matière lignocellulosique consiste à broyer finement la matière végétale sèche en poudre. La matière première broyée subit ensuite un prétraitement pour briser la barrière de lignine et d’hémicellulose dans la paroi cellulaire et permettre l’accès à la cellulose.

Ensuite, la cellulose est traitée avec des enzymes hydrolytiques, telles que la cellulase et l’hémicellulase. L’hydrolyse enzymatique décompose la cellulose en glucose. Enfin, le glucose est fermenté avec de la levure pour produire de l’éthanol.

L’expérience suivante démontre cette méthode par étapes de production d’éthanol à partir de biomasse cellulosique par l’élimination de la lignine et de l’hémicellulose, suivie du traitement enzymatique de la cellulose et de la fermentation du glucose pour produire de l’éthanol.

Dans cette expérience, l’éthanol sera produit à partir de tiges de maïs, de feuilles et de tiges de plants de maïs. À l’aide d’un broyeur à boulets, broyez la matière première en une poudre fine et assurez-vous qu’il ne reste pas de gros morceaux.

Pesez 1 g de matière première, placez-la dans un tube à centrifuger de 50 ml et étiquetez-la. Étiquetez un deuxième tube comme échantillon de contrôle et n’ajoutez aucune matière première. Pour prétraiter les échantillons, installez un bécher de 500 ml avec environ 400 ml d’eau et portez-le à ébullition douce.

Ajoutez 25 ml d’eau distillée dans les deux tubes à centrifuger préparés et bouchez-les sans serrer. Faites tourner les tubes pour mélanger. Placez les tubes dans l’eau bouillante et assurez-vous que l’eau du bain ne s’infiltre pas dans les tubes. Laissez-les bouillir pendant 30 min, puis retirez-les et laissez-les refroidir à température ambiante.

Une fois les tubes refroidis, ajoutez 1 ml d’enzyme cellulase dans les deux tubes. Placez les tubes dans un incubateur pendant 24 h. Après 24 h, retirez les tubes et laissez-les refroidir à température ambiante. L’éthanol est produit à partir de la matière cellulosique digérée par fermentation par levure. Pour commencer ce processus, ajoutez 1 g de levure active dans chacun des tubes à centrifuger et remuez pour mélanger.

Placez un sas sur les tubes à centrifuger. Le sas permet au dioxyde de carbone généré pendant la fermentation de s’échapper, de sorte que la pression ne s’accumule pas dans le tube. Placez les tubes de centrifugation dans un rack et placez-les dans un incubateur à 37 °C. Une fois la fermentation terminée, utilisez un capteur d’éthanol pour mesurer la concentration d’éthanol dans les tubes de contrôle et d’échantillonnage.

Pour faire des biocarburants une source d’énergie compétitive, il faut répondre à certaines questions sur la structure et les performances des matières premières.

Il est important de comprendre la distribution de la lignine dans diverses plantes, afin que son élimination puisse être effectuée efficacement. Dans cet exemple, la distribution de la lignine dans les parois cellulaires végétales a été analysée en découpant de fines couches d’une tige de plante. Les fines tranches ont ensuite été imagées à l’aide de la microscopie confocale avec une lumière laser de 532 nm pour créer des images tridimensionnelles de la tige de la plante.

La teneur en lignine a été déterminée à l’aide de la spectroscopie Raman. En combinant les images confocales et les spectres Raman, une carte tridimensionnelle de la distribution de la lignine a été générée.

Afin de maximiser la quantité de bioéthanol dérivée des matières premières végétales, les types de matières premières doivent être comparés. Dans cet exemple, l’éthanol a été produit à partir de carton et comparé à des tiges de maïs. Le carton a été préparé comme indiqué précédemment, où le carton broyé a été soumis à un prétraitement, suivi d’une digestion enzymatique afin de séparer la lignine et l’hémicellulose du matériau et de décomposer la cellulose en glucose. Le glucose extrait a ensuite été fermenté avec de la levure pour produire de l’éthanol. Le carton s’est avéré être une matière première supérieure à la canne de maïs, car il produisait plus du double de la concentration d’éthanol en solution.

Aux États-Unis, la grande majorité du bioéthanol est produite à partir de maïs. Bien que la production d’éthanol à partir du maïs soit énergivore, elle est moins complexe que la production d’éthanol à partir de la biomasse cellulosique.

Afin de s’éloigner des matières premières du maïs, le rendement de la biomasse cellulosique doit être meilleur que celui du maïs. Dans cet exemple, la semoule de maïs et les tiges de maïs ont été comparées en utilisant la même procédure que celle illustrée précédemment.

La semoule de maïs a produit une concentration d’éthanol plus élevée que les tiges de maïs, ce qui montre que le maïs est une matière première légèrement meilleure que les tiges de maïs elles-mêmes. Cependant, les tiges de maïs et autres matières premières cellulosiques sont plus abondantes et peu coûteuses et peuvent constituer une alternative viable.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE aux biocarburants. Vous devriez maintenant comprendre la production d’éthanol à partir de matières premières végétales et les défis associés au processus. Merci d’avoir regardé !