Génie énergétique

Nos recherches sont axées sur le développement de technologies destinées à transformer la biomasse non comestible (p. ex. déchets de bois, lisier et fumier ou paille de maïs) en produits chimiques et agents énergétiques de qualité.

Pour pallier la raréfaction des ressources fossiles et réduire les émissions de gaz à effet de serre, il est indispensable d’utiliser la lignocelluose: cette macromolécule permet de fabriquer des produits chimiques et des agents énergétiques liquides pour le trafic aérien et poids lourds, ainsi que du méthane pour le stockage saisonnier de l’énergie.

Prestations

Le laboratoire de bioénergie et biochimie s’est spécialisé dans la transformation biotechnologique de la lignocellulose (p. ex. déchets issus de l’industrie agroforestière). Nos prestations sont les suivantes:

  • Analyse quantitative de la composition de la biomasse végétale (hémicelluloses, cellulose, lignines, protéines, lipides)
  • Optimisation du prétraitement à la vapeur pour différentes biomasses
  • Extraction de la biomasse sous haute pression
  • Hydrolyse enzymatique et fermentation de la lignocellulose
  • Technique de fermentation strictement anaérobie
  • Évaluation du potentiel de biométhane et de la décomposition de chaque substance pendant la digestion anaérobie

Compétences

Le laboratoire de bioénergie et biochimie s’est spécialisé dans le développement de procédés biotechnologiques visant à transformer la lignocellulose en produits chimiques et agents énergétiques de qualité. Ses deux principaux axes de recherche sont, d’une part, les technologies de prétraitement de la biomasse, d’autre part, le bioprocédé consolidé basé sur un consortium de microorganismes qui permet de transformer directement la lignocellulose en produits chimiques.

Prétraitement de la biomasse

Il est nécessaire de faire subir à la lignocellulose un prétraitement pour que sa transformation biochimique en produits chimiques soit efficace. Ce procédé permet de scinder les structures polymères présentes dans la biomasse. Ce n’est qu’après cette étape que les enzymes ont accès à la cellulose. Nous nous intéressons à l’explosion à la vapeur comme processus de prétraitement. Cette technologie est aujourd’hui utilisée dans les premières grandes usines de production d’éthanol cellulosique. Dans nos recherches, nous nous attaquons à de véritables défis, comme l’optimisation du prétraitement, le fractionnement des composés de la biomasse ou l’apport continu de biomasse abrasive dans le réacteur à haute pression.

Technique de bioprocédé consolidé

Aujourd’hui, la technique de bioprocédé consolidé se rapporte surtout aux «super bugs» génétiquement modifiés capables à la fois de créer des enzymes cellulolytiques et de faire fermenter les sucres libérés pour générer un produit cible. Dans notre laboratoire, nous avons développé un bioprocédé consolidé basé sur un consortium microbien. Un réacteur spécial a été conçu à cette fin, qui parvient à créer localement des niches écologiques pour permettre la cohabitation de microorganismes dont les exigences abiotiques diffèrent (p. ex. oxygène).

Infrastructure

Le laboratoire de bioénergie et biochimie est bien équipé et dispose non seulement des installations habituelles, mais aussi du matériel suivant: 

  • Chromatographe en phase gazeuse Agilent 7890 avec des détecteurs FID et TCD et un échantillonneur GERSTEL (MPS)
  • Chromatographe liquide à haute performance Waters Alliance 2695 avec des détecteurs RI et PDA
  • Chromatographe ionique Dionex avec un détecteur ampérométrique pulsé
  • 8 fermenteurs Infors-HT Labfors5 BioEtOH (3,0L)
  • 4 fermenteurs Infors-HT Multifors (0,5L)
  • 6 réacteurs pour mesurer le biogaz (1,5L) avec capteurs de pH, de potentiel redox, de méthane et de volume de gaz produit
  • Fermenteurs de 19 et de 150L pour bioprocédés
  • Sterilbank Labconco
  • LABstar Glove Box Workstation anaérobie 
  • 3 incubateurs Infors-HT
  • Autoclave Fedegari
  • 2 centrifugeuses Eppendorf
  • Spectrophotomètre UV/Vis Hach DR5000
  • Analyseur CHN LECO 628 Serie
  • Steam gun (IAP, Graz, A)

Projets

La biomasse lignocellulosique représente une matière première attrayante pour produire des carburants renouvelables et des produits chimiques de qualité. Il est particulièrement intéressant d’utiliser les sous-produits issus de l’industrie agroforestière (p. ex. cannes de maïs ou résidus de bois), puisqu’on ne crée ainsi aucune concurrence à la production de denrées alimentaires ou d’aliments pour animaux. Par ailleurs, les combustibles et produits chimiques renouvelables peuvent directement remplacer les agents énergétiques fossiles traditionnels sans qu’il ne soit par exemple nécessaire de créer de nouveaux moteurs, ce qui constitue un facteur d’acceptation important de la part de la population. L’objectif du projet conjoint est de produire des combustibles et des produits chimiques renouvelables (alcanes et alpha-oléfine) à partir de sous-produits issus de l’industrie agroforestière, en ayant recours à des processus subséquents de conversion biochimique et catalytique. Les trois sous-projets entendent couvrir les deux principaux processus de conversion ainsi que l’évaluation de la durabilité de l’ensemble de la chaine de valeur. 

Sustainability evaluation Agrandir l'image

En Suisse, les engrais de ferme (lisier et fumier de différents animaux de rente) sont rarement utilisés pour produire du biogaz, car leur digestibilité est mauvaise. Si on améliore le processus de digestion, on peut considérablement augmenter le rendement du biogaz. C’est pourquoi nous développons une technique permettant de rendre susceptibles à l’attaque microbienne, et donc accessibles, les composants des engrais de ferme jusqu’alors non valorisables. Le projet est financé par l’Office fédéral de l’énergie.

Mikrobielle Strategie zur Erhöhung der Biogasausbeute von Hofdünger Agrandir l'image

Ce projet est centré sur un procédé de prétraitement potentiel en particulier, à savoir l’explosion à la vapeur du lisier de bovins. Nous étudions et optimisons ce procédé pour augmenter le rendement de biogaz lors de la digestion anaérobie. Nous cherchons à comprendre en détail les effets du prétraitement sur chacun des composants du lisier et à déterminer le rendement de biogaz réalisable. En outre, nous développons un réacteur innovant pour le prétraitement, qui permet de récupérer la chaleur à haute température. Le projet est soutenu par le Swiss Competence Center for Energy Research et l’ERA-NET Bioenergy.

Dampfvorbehandlung von Rindergülle zur Verbesserung der anaeroben Verdaubarkeit Agrandir l'image

Le bioprocédé consolidé sur lequel nous travaillons – transformation directe par consortium microbien de biomasse solide soumise à un prétraitement en un produit chimique comme l’éthanol – est établi à l’échelle du laboratoire (3 litres). La prochaine étape consiste à l’adapter à l’échelle d’un petit dispositif pilote (200 litres). Pour redimensionner avec précision le processus à une plus grande échelle, nous élaborons et validons un modèle mathématique. Le projet est financé par le Swiss Competence Center for Energy Research.

Publications

  • Shahab, R., S. Brethauer, J. Luterbacher and M. Studer (2018). ‘Consolidated bioprocessing of lignocellulosic biomass to lactic acid by a synthetic fungal-bacterial consortium’ (2018) Biotechnology and Bioengineering 115(5): 1207-1215
  • Xiros, C. and M. Studer (2017) 'Enhancement of cellulolytic effciency of fungal biofilms for consolidated bioprocessing of plant biomass.' Frontiers in Microbiology 8: 1077
  • Pielhop, T., C. Reinhard, C. Hecht, L. Del Bene, M. Studer and P. Rudolf von Rohr (2017). 'Application potential of a carbocation scavenger in autohydrolysis and dilute acid pretreatment to overcome high softwood recalcitrance.' Biomass and Bioenergy 105: 164-173
  • Seidel, CM., T. Pielhop, M. Studer and P. Rudolf von Rohr (2017). 'The influence of the explosive decompression in steam-explosion pretreatment on the enzymatic digestibility of different biomasses.' Faraday Discussions 202: 269-280
  • Brethauer, S., R. Shahab and M. Studer (2017). 'Simultaneous saccharification and fermentation of steam pretreated beech wood with in situ Irpex lacteus treatment.' Bioresource Technology 237: 135-138
  • Pielhop, T., J. Amgarten, M. Studer and P. Rudolf von Rohr (2017). 'Pilotscale steam explosion pretreatment with 2-naphthol to overcome high softwood recalcitrance.' Biotechnology for Biofuels 10 (130)
  • Pielhop, T., J. Amgarten, P. Rudolf von Rohr and M. Studer (2016). 'Steam explosion pretreatment of softwood: The effect of the explosive decompression on enzymatic digestibility.' Biotechnology for Biofuels 9(152)
  • Brethauer, S., and M. Studer (2015). 'Biochemical conversion processes of lignocellulosic biomass to fuels and chemicals - A Review.' CHIMIA 69(10):572-581
  • Thomas, P., G.O. Larrazabal, M. Studer, S. Brethauer, C.M. Seidel and P. Rudolf von Rohr (2015). 'Lignin repolymerisation in spruce autohydrolysis pretreatment increases cellulase deactivation.' Green Chemistry 17(6): 3521-3532
  • Brethauer, S., M. Studer, and C.E. Wyman (2014). 'Application of a slurry feeder to 1 and 3 stage continuous simultaneous saccharification and fermentation of dilute acid pretreated corn stover.' Bioresource Technology 170: 470-476
  • Brethauer, S., M. Studer (2014). 'Consolidated bioprocessing of lignocellulose by a microbial consortium.' Energy & Environmental Science 7(4): 1446-1453

Équipe

Team Forschungsgruppe Energietechnik Agrandir l'image

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