Biocarburants : focus de la recherche sur l’amélioration des méthodes de production

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Des chercheurs du Ames Laboratory ont récemment développé une nanoparticule qui effectue simultanément deux fonctions, facilitant grandement le procédé de production de diesel vert. Cette avancée ouvre de grandes perspectives pour améliorer la production de biocarburants : réduction des coûts et diminution de l’impact environnemental [1,2,3].


Test microbiologique pour la qualité des aliments
Crédits : Motorolka


FAME (Fatty Acid Methyl Esters) et diesel vert

La famille des biocarburants continue de s’élargir au fur et à mesure des avancées de la recherche, et on distingue aujourd’hui deux filières principales : la filière alcools comme le bioéthanol, à partir de sucres, d’amidon, de cellulose ou de lignine hydrolysées ; et la filière huiles et dérivés, comme l’huile végétale carburant, le FAME (biodiesel ou biogazole) et le diesel vert. Le biodiesel est produit en utilisant un procédé de transestérification, en faisant réagir des huiles végétales ou des graisses animales avec un alcool aliphatique à chaîne courte (en général, du méthanol ou de l’éthanol), à l’aide d’un catalyseur. Le glycérol est un sous-produit de ce procédé de transestérification.

Par opposition, le terme diesel vert, aux Etats-Unis, renewable diesel, green diesel ou second generation diesel, fait référence à des biocarburants chimiquement proches des diesels issus du pétrole, mais provenant de sources biologiques qui ne sont pas des esters. De fait, le diesel vert est produit par hydrodéoxygénation des matières grasses et des huiles en présence de catalyseurs. La composition finale du diesel vert est très proche du diesel issu du pétrole, à la différence qu’il provient de biomasse récemment vivante.

L’exploitation du nickel comme catalyseur

Traditionnellement, la production de biodiesel à partir d’un substrat riche en acides gras libres, comme l’huile de micro algues, nécessite dans un premier temps de séparer les acides gras qui peuvent diminuer fortement l’efficacité du catalyseur, puis on effectue les réactions catalytiques qui produisent le combustible. La conception des nanoparticules multifonctionnelles, en se concentrant sur le diesel vert plutôt que le biodiesel, a permis de combiner plusieurs processus en un seul, plus rapide et plus propre.

Le groupe de recherche s’est d’abord concentré sur des nanoparticules mésostructurées bifonctionnalisées. Ces particules poreuses contiennent des groupes aminés qui capturent les acides gras libres, ainsi que des nanoparticules de nickel qui catalysent la conversion des acides gras en diesel vert. Le nickel a suscité beaucoup d’intérêt de la communauté scientifique dans ce cadre, car il est environ 2000 fois moins cher que les métaux nobles utilisés traditionnellement dans l’hydrodéoxygénation d’acides gras, comme le platine ou le palladium, et représente donc une alternative de premier choix.

La création d’une nanoparticule bi-fonctionnelle a donc non seulement amélioré le processus de production du diesel vert, mais également la qualité du carburant obtenu. En effet, lors de l’essai d’utilisation du nickel seul pour la conversion de carburant, les scientifiques se sont aperçus que le processus a abouti à une réaction trop forte, avec des chaînes d’hydrocarbures qui s’étaient fragmentées. Ce phénomène de fragmentation diminue le potentiel du produit obtenu comme carburant. L’insertion du Ni dans une nanoparticule bi-fonctionnalisée permet donc de modérer la réaction et d’augmenter son efficacité catalytique conduisant à la synthèse des hydrocarbures à longues chaînes. Les autres composants des huiles, sous-produits de la réaction, sont préservés et constituent de précieuses molécules aux utilisations potentielles pour les industries pharmaceutiques et alimentaires.

Aller plus loin avec le fer

L’équipe de scientifiques a par la suite souhaité aller plus loin dans l’expérience, en utilisant le fer comme catalyseur au lieu du nickel. En effet, le fer est de l’ordre de 100 fois moins cher que le nickel, et son utilisation a encore amélioré, de façon surprenante, le produit final. La conversion s’est déroulée de manière plus rapide et a permis de réduire également la perte de dioxyde de carbone dans le processus, les molécules d’hydrocarbures étaient donc plus longues. Le fer constitue un catalyseur moins cher, plus respectueux de l’environnement et qui produit un hydrocarbure qui ressemble beaucoup plus au diesel que les générations actuelles de diesel vert, mais également que le biodiesel.

Après la recherche, les questions s’orientent donc actuellement vers le développement industriel de la technologie, pour laquelle une demande de brevet a été déposée. L’équipe de recherche, faisant partie d’un laboratoire national (dépendant du U.S. Department of Energy), s’est concentrée sur la recherche scientifique fondamentale pour créer un nouveau processus. L’exploitation de cette technologie au niveau industriel nécessite maintenant d’autres recherches complémentaires.

Cependant, considérant en particulier les gains réalisés par l’utilisation du fer par opposition au platine ou au palladium, il est très probable que l’industrie des biocarburants s’engage sur cette piste dans les mois qui viennent.

Sources :


- [1] Article - Ames Lab creates multifunctional nanoparticles for cheaper, cleaner biofuel - The Ames Lab - U.S. Department of Energy - Mai 2014 - https://www.ameslab.gov/news/news-releases/ames-lab-creates-multifunctional-nanoparticles-cheaper-cleaner-biofuel
- [2] Article - Nickel and Iron used to create faster, cheaper biofuel process - EcoSeed.org - http://www.ecoseed.org/technology/17540-nickel-and-iron-used-to-create-faster-cheaper-biofuel-process
- [3] Article - Multifunctional nanoparticles for cheaper, cleaner biofuel - Science Daily - Mai 2014 -http://www.sciencedaily.com/releases/2014/05/140512155326.htm

Pour en savoir plus, contacts :


- Bifunctional Adsorbent-Catalytic Nanoparticles for the Refining of Renewable Feedstocks - Kapil Kandel, Conerd Frederickson, Erica A. Smith, Young-Jin Lee, Igor I. Slowing - U.S. Department of Energy, Ames Laboratory, Ames, Iowa 50011-3020, United States / Department of Chemistry, Iowa State University, Ames, Iowa 50011-3111, United States - 2013 - http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/cs4008039
- Supported Iron Nanoparticles for the Hydrodeoxygenation of Microalgal Oil to Green Diesel - Kapil Kandela, James W. Anderegga, Nicholas C. Nelsona, Umesh Chaudharya, Igor I. Slowing - U.S. Department of Energy, Ames Laboratory, Ames, Iowa 50011-3020, United States / Department of Chemistry, Iowa State University, Ames, Iowa 50011-3111, United States - 2014 - http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S002195171400089X
Code brève
ADIT : 76283

Rédacteurs :


- Simon Ritz, deputy-agro@ambascience-usa.org / ;
- Marc Rousset, attache-agro@ambascience-usa.org ;
- Retrouvez toutes nos activités sur http://france-science.org.

Voir en ligne : http://www.bulletins-electroniques….