Université de Liège – Gembloux AgroBioTechCentre Wallon de Biologie IndustrielleCentre Wallon de Biologie Industrielle

Bi éth l d dBioéthanol de secondegénération : les facteursgénération : les facteurs

limitants...

Ph. Thonart, I. Didderen, V. Lechien, S. Hiligsmann, J. Destain, L. Beckers, J. Masset, C. Hamilton

1

Introduction

Bois fossiles de 15 millions d’années !!!!!

2

Il était une fois …

Localisation des karsts de l’Entre-Sambre-et-

Meuse (Belgique)

3

Site de Florennes : bois fossiles contenant 25 % cellulose (De Putter et al., 1994)

Caractérisation paléobotanique

Xylothèque Espèce fossile identifiée Espèce actuelle associée

AN, DU, Onh, H, KE, Florennes

Juniperoxylon pachyderma/Taxodioxylon gypsaceum

Metasequoia

Mode de fossilisation : Turbification

Lampernisse Pinuxylon Pinus sylvestris

Maasmmechelen Piceoxylon pseudotsuga Pseudotsuga menziesiiMaasmmechelen Piceoxylon pseudotsuga Pseudotsuga menziesii

Sint Odiliënberg Quercus robur Quercus Robur

4

Points de comparaison pour les futures analyses

Etude des conditions naturelles de fossilisation

Conditions particulières d’ensevelissement ?

Paramètres relatifs aux sédiments hôtes Conclusions

Perméabilité Sols suffisamment imperméables pour la préservation MAIS circulation d’eau présente

Acidité Activité des microorganismes favorisée

Taux d’humiditéBonnes conditions de biodégradation

de la matière organiquePotentiel d’oxydoréduction

de la matière organiqueActivité microbienne du sol

Composition minérale des solsPossibilité de minéralisation des bois

Co pos o é a e des so sMAIS impossible à confirmer

La matrice d’enfouissement n’est pas à l’origine de la préservation de la cellulose

5

La matrice d enfouissement n est pas à l origine de la préservation de la cellulose

La cellulose - Cristallinité & paramètres associés

Celluloses I

80

100

lysé

e (%

)

cellulose mediumalpha cellulose

ll l 20Diffraction RX

20

40

60

llulo

se h

ydro

l cellulose 20µmpapier whatmancotonlinchanvre

00 20 40

Temps (h)

Ce chanvre

2-Theta - Scale13 20 30

Détermination de la biodisponibilité

Plus la cristallinité augmente, plus le tauxd’hydrolyse de la cellulose diminue (cas

Détermination du degré de cristallinité

Réseau cristallin de type ICrI des celluloses commerciales : 82-94 % y y (

des poudres commerciales)CrI des fibres végétales : 74-82 %

Bi ibilité f(C I) l d i l

6

Bioaccessibilité = f(CrI) pour les poudres commercialesBioaccessibilité f(CrI) pour les fibres végétales

La cellulose - Cristallinité & paramètres associés

Bois actuels & fossiles35

(a) hêtre (b) épicéa(c) chêne (d) cèdre(e) séquoia (f) châtaignier

20

25

30

drol

ysée

(%)

bois fossilesSeqB

Mt

SeqC

LO

abcd 5

10

15

Cellu

lose

hy

bois actuels

He

Flo6Ep

Flo7

Ch

CeB AN

SOAPSMABERG

CB

10 20 30 40 50

2

ef 0

5 15 25 35 45 55CrI (%)

Flo7CeBLADU KE

ANHA Onh4 HC

Détermination du degré de cristallinité

Réseau cristallin de type ICrI des bois actuels : 36-54 %

Détermination de la biodisponibilité

Aucune tendance concernant le lienentre la digestibilité des celluloses des

CrI des bois fossiles : 15-56 %g

bois et sa cristallinité

7

Bioaccessibilité = f(cristallinité) ?

La cellulose – Morphologie des fibres

Systèmes lignocellulosiques

Stratégie : réduction de la surface spécifique de systèmes lignocellulosiques par broyage et mise en relation avec leur digestibilité

Test ECD de 48 hTaux d’hydrolyse de la cellulose (%)Et t d’ i i BEtat d’origine Broyage

Metasequoia 8 19Florennes 0 2Onhaye 0 1

Bioaccessibilité = f(surface spécifique ) ?

8

Les composés extractibles

Inhibition de l’activité enzymatique par des extraits de bois

70

80

90

(%)

30

40

50

60os

e hy

drol

ysée

w hatman non traité

w hatman+MeOH

w hatman+extraits+MeOH

w hatman+extraits+TP

h i /2 TP

0

10

20

0 10 20 30 40 50 60 70

Cel

lulo w hatman+extraits/2+TP

Temps (h)

o Inhibition de la dégradation de la cellulose par les extraits du bois fossile deFlorennes (5-10 %)( )

o Pas de différence entre les extraits deMetasequoia et de bois fossile

Bi dé d bilité f(t t it )

9

Biodégradabilité f(teneur en extraits)

La lignine

Caractérisation de la structure ligneuse

SpectresStructure générale

100%

SpectresCPMAS 13C RMN

Réaction n°1 : Hydrolyse des groupements méthoxyles

60%

80%

e C

aro

mat

ique

s 52

ppm

)

153 ppm148 ppm146 ppm

0%

20%

40%

Pou

rcen

tage

de

(110

-15 135 ppm

125 ppm115-120 ppm

Intensité Rel

Florennes0%

Metasequoia Florennes

Réaction n°2 : Clivage des liens b-O-4

a

ative

250 200 150 100 50 0 ppm

MetasequoiaRéaction n°3 : Alkylation des structures

catécholes56 ppm

100-160 ppm

10

3 principales transformations chimiques

Substrat de seconde générationSubstrat de seconde génération

= substrat non issus de culture destinée à l’alimentation= substrat non issus de culture destinée à l alimentation

Matière ligno-cellulosique

11

Composition de différentes matières premièresComposition de différentes matières premièreslignocellulosiques en % de matière sèche.

Cellulose Hémicellulose Lignine

Feuillus 35 – 40 25 – 30 27 – 30

Bouleau 40 39 21

Saule 37 23 21

Peuplier 45 50 24 29 16 25Peuplier 45 - 50 24 - 29 16 - 25

Résineux 45 – 50 20 – 25 20 – 25

Epicéa 43 26 29

Pin 44 26 29

Paille de froment 30 – 50 21 – 35 15 – 29

Herbe 31 – 45 24 – 30 12 – 18

Miscanthus 38 24 26

12

La biotechnologie et des substrats de 2ème génération

Substrat

Hydrogène MéthanisationPrétraitement

(chimique ou physique)

hydrolyse(cellulase

(chimique ou physique)

(cellulase,hemicellulase)

Sucres C6 et C5

fermentation

Sucres C6 et C5

Méthanisationéthanol - hydrogène

Autres métabolites-acides

i t édi i hi i

13

y g- intermédiaires chimiques

Les CET : 1ère application industrielle des substratsLes CET : 1 application industrielle des substratsde 2ème génération

Transformation de la cellulose en méthaneTransformation de la cellulose en méthane

Dé h d D k

14

Décharge de Dakar

La décharge

CH4CO2

La décharge

Biogaz

Etude de

Solides

l'activitébiologique :

analyses(cellulose,

Lixiviats-Détermination de l'âge biologique

-Prévision du tassement

ac. gras,DBO5, …

-Prévision de l'activité future

15

L’atlas des décharges d’ordures ménagères dans les pays en développement

http://www.ulg.ac.be/cwbi/index.htm

développement

But:

Collecter et diffuser toutes les informations disponibles sur les dépôtsd’ordures ménagères dans les pays en développement

Pourquoi:

• Pour garder en mémoire la localisation et la caractérisation de cessites

• Pour faciliter leur réhabilitation

16

17

La gestion biologique des décharges

Caractérisation des décharges:

EAU

DECHETS

BIOGAZ (CO2, CH4,...)

LIXIVIATSMICROORGANISMES

C i bi é t dé h l iComparaison bioréacteur - décharge classique

Critères Bioréacteur DéchargeMatières premières - substrat établi comme optimum par

rapport au micro-organisme donné- substrat très variable

rapport au micro-organisme donnéMicroorganisme - micro-organisme choisi en fonction de la

production - le milieu est déterminé en fonction du

- population microbienne complexe déterminée par la nature du milieu

micro-organismeParamètres (pH, t°, aération)

- régulés - évolution naturelle rem : pas d'aération ni d'agitation

Produits finaux - biomasse + milieu + produit - biomasse + lixiviats + biogaz

18

Produits finaux biomasse + milieu + produit biomasse + lixiviats + biogaz

Les paramètres physico-chimiques intervenant dansla gestion biologique d’une décharge

HydrogèneG b i

OxygèneGaz carbonique

Humidité

Méthanogenèse Inhibiteurs

Sulfates

pH

Température Nutriments

19

Analyses des gaz (% CH4, % H2S, % O2, débit, t°, …)(% CH4, % H2S, % O2, débit, t , …)

Echantillonnage + ganalyses des échantillons liquides(pH, Redox, Conductivité, DCO, NH4, Ntot, Sulfates, …)

Matériel d’analyse sur le terrain

20

Méthodes d’investigation

Forages

Pose de tubesde dégazage

F ill à l llFouilles à la pelle

21

Extraction des déchetsprélevés

Campagnes de prélèvements d’échantillons liquides et gazeux

Gaz

LixiviatsGaz adsorbés

22

Evolution de la composition du biogaz en fonction du temps:

I II III IV V100

80

100

80

60

40

60

40

20

0 Temps

20

0Dioxyde de carbone CO2 Acides gras volatilsDioxyde de carbone CO2Oxygène O2Azote N2

Acides gras volatilsMéthaneCellulose

Phase I: aérobie 0.25 à 1.5 ans

Phase II: anaérobie non-méthanogénèse

Phase III: anaérobie méthanogénèse (transitoire)(transitoire)

Phase IV: anaérobie méthanogénèse (stable)

Phase V: fin de la production de gaz

30 à 50 ans (100 ans)

Phase V: fin de la production de gaz

23

Influence de la teneur en eau des déchets sur la productivité de biogazla productivité de biogaz

1000

100

on d

e bi

ogaz

e dé

chet

s/jo

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10Prod

uctio

(cm

3/kg

de

120 30 40 50 60 70 80

% en eau dans les déchets

24

Etude de l’activité biologique des décharges dans les pays à climat sec (Haïti – Tunisie)

Cas de Haïti :é

St-Marc

Évapotranspiration > précipitation => pas d’activité biologique

Etude de l’évapotranspirationhypothèses sur le niveau

d’activité biologique

100

150

200

es p

ar m

ois

pluviométrie

0

50

mil

lim

ètre

J F M A M J J A S O N D

pluviométrieévapotranspiration

mois

Évapotranspiration < précipitation => activité biologique faible

Pluviométrie et évapotranspiration mensuelles moyennes sur la ville de Saint-Marc. (Source Ministère de l'Environnement d'Haïti)

150

200

moi

sCap Haïtien

50

100

mil

lim

ètre

s pa

r m

pluviométrieévapotranspiration

0J F M A M J J A S O N D

moisPluviométrie et évapotranspiration mensuelles moyennes sur la ville du Cap Haïtien. (Source Ministère de l'Environnement d'Haïti) 25

Dégradation de la cellulose

exoglucanase

endoglucanase

-glucosidase

= Cellulases

= Cellulose

26

Notre stratégie : test enzymatique de dégradation de la cellulose

Développement d'un test enzymatique ciblant spécifiquement laDéveloppement d'un test enzymatique ciblant spécifiquement labiodisponibilité de la cellulose

Biodisponibilité = accessibilité cellulose pour microorganismes

Test = Hydrolyse enzymatique de MSW médiée par cellulases

Détermination de la biodisponibilité de la cellulose : pourcentage de lacellulose hydrolyséecellulose hydrolysée

Validation par un test de méthanisation

27

Test enzymatique de dégradation de la cellulose : mise au point

cellulases / hemicellulases

(C6H10O5)n + n H2O n C6H12O6

cellulose / hemicellulose monosaccharides40 h à 40 °C

mesuré par HPLC mesuré par HPLC

28

L’avenir du bioéthanol de seconde génération

Intégrer sa production dans un procédé de valorisation complète de la biomasse ligno-cellulosique

29

Intégration des techniques

Biomasse (levures)

FermentationLi ll l

Biomasse (levures)

Alimentation animale

énergie

DistillationSaccharideassimilable

Ligno-celluloseEthanol

énergie

Lignine combustion

VinassesElectricitég e co bust o

Méthanisation

Energie

Epuration des eaux

30

Ligno-cellulose H2Ligno celluloseC6 et C5 Fermentation alcoolique

Vinasse

éthanolH2

Production de HC5 Production de H2

P d ti d éthProduction de méthane

électricité énergie

31

Production d’éthanol - Point de vue enzymatique

1ère génération

Saccharose éthanolA id l éth lAmidon glucose éthanol

EnzymesEnzymes

32

2ème génération : la biomasse lignocellulosique

Substrat prétraitements enzymescellulose acide, température, hémicellulaselignine pression cell laselignine pression cellulasehémicellulose

33

Production d’éthanol

Cellulose : 2030 2050 25% des carburants

Production d éthanol

Cellulose : 2030 – 2050 – 25% des carburants

1ère installation : 2015 en utilisant la bagasse (Brésil)

Prix de l’éthanol : 0,37 – 0,43 euro/litre (2015)

Prix de l’enzyme : 0,5 USD/gallon

34

L ité d d ti d’ t it é è d iLes unités de production d’enzymes seront situées près des usinesde production d’éthanol (intégration verticale)

Les problèmes :

1. Inhibiteurs des enzymes

2. Eviter les infections

3. Fermentation des C5

4. Dosage de la levureg

5. Traitement du résidu

35

Les avantages de la biotechnologie :

- spécificité des réactions pour le substrat et le produit

- conservation de l’énergie. Le rendement énergétique est proche de 95%

Les applications de la biotechnologie :

- Énergétiques (éthanol, CH4, H2, électricité)Énergétiques (éthanol, CH4, H2, électricité)

- Biofaçonnement (potentialités de transformation) par exemple : ç (p ) p pglycérol en matière grasse.

Les applications énergétiques de la biotechnologie :

- l’éthanol

- le méthane

- l’hydrogène

- “Microbial fuel cells”

ÉthanolÉthanol

techniquement au point avec :q p

- le saccharose

- l’amidon

à améliorer avec :

- la cellulose

- les sucres en C5 (xylose)

- le glycérol

Schéma de production d’éthanol à partir de biomasse lignocellulosiqueSchéma de production d éthanol à partir de biomasse lignocellulosique

Prétraitements

• Hydrolyse acide (dilué ou concentré)

– Acides: H2SO4, HCl, etc.

– Bon rendement de saccharification

• Thermohydrolyse

– Pas de produit chimique (eau à 190-250°C et >25 bars)

Très bon rendement d’hydrolyse– Très bon rendement d’hydrolyse

Prétraitements

• Explosion à la vapeur

– Vapeur (160-290°C et 0,5-25 bars)

– Hydrolyse de l’hémicellulose faible (30 à 50 %)

• Prétraitement alcalin

– Bases: CaOH2, NaOH, KOH, NH4OH

Durée de traitement longue– Durée de traitement longue

Production d’éthanol à partir de divers produits agricoleset forestierset forestiers

Matière première t/ha EtOH (l/t) EtOH (hl/ha)p ( ) ( )

Betterave 60-70 90-100 54-70

Canne à sucre 70-80 80-90 56-72

Maïs 10-12 360-400 36-48

Blé 8-9 320-370 25-33

Orge 6-8 310-350 18-28g

Sorgho (grain) 4-5 330-370 13-18

Pomme de terre 24-26 100-120 24-31

Manioc 15-20 175-190 26-38

Bois de feuillus 9-15 400-440 36-66

Bois de résineux 9-15 450-480 40-72

Paille 5-6 440-480 22-29

Nécessité de :Nécessité de :

F t l t• Fermenter les pentoses :

augmentation des rendements de fermentation de 100 litres/gtonne de MS suivant la biomasse utilisée.

• Trouver des micro-organismes fermentant C5 & C6.

Voies de transformation

Voies de transformation

• Glucose 2 Éthanol + 2 CO2

– Rendement: 0,48 g/g glucose

– Microorganismes: Saccharomyces cerevisiae, Zymomonasmobilis …

• Xylose Éthanol + CO2 + Acétate

R d t 0 28 0 48 / l– Rendement: 0,28 – 0,48 g/g xylose

– Microorganismes: Pachysolen tannophilus, Candida shehatae,g yPichia stipitis …

L’avenir :L avenir :

- Améliorer la récupération de l’éthanol (peut-être par les techniques de membranes, la pervaporation)q , p p )

- Mieux valoriser les sous-produits

- Utiliser de nouveaux substrats

Méth i ti t h l i i t ( f éth l)Méthanisation : technologie au point : (cfr éthanol)

- procédés en phase liquide (< 15% MS)ou en phase sèche (20 - 50 % MS)p ( )

- procédés mésophiles (30 – 40°C)ou thermophiles (50 – 60°C)

- importance de la biomasse : 1kWhe / kg DCO

Biométhanisation en phase sèche

Procédés : Dranco Kompogas et BRV Valorga

53 grandes installations en Europe traitant53 grandes installations en Europe traitant

• 10 000 à 50 000 tonnes de biomasse / année

• Input : 5 - 25 kg de DCO / m³ . j

• 10 – 20 jours de temps de rétention, C/N > 20

• 50 – 70 % de conversion de DCO

• Output : 1 - 8 m³ de CH4 / m³ . j

Procédé DrancoProcédé Dranco

Liste de références d’installations DrancoListe de références d installations Dranco

Méthane

Fermentation liquide en continu (classique)

1 kg de COD par m3 par jour

1 m3 de méthane – 1 kg de biomasse par m3

Upflow Anaerobic Sludge Blanket reactor

• 10 - 20 kg de COD par m3g p

• 0,5 - 1KW/m3 (rendement supérieur à 35%)

Production d’hydrogène à partir de biomasse

Enjeux :

y g p

Enjeux :

• réduire les émissions de CO2

• diminuer la consommation des combustibles fossiles• diminuer la consommation des combustibles fossiles

• exploiter au mieux les déchets

• augmenter les rendements d’utilisation des sources d’énergie

L’hydrogène :Vecteur énergétique du futur ?g q

La production d’hydrogène :

– Steam Reforming du méthane (200 °C)g ( )

CH4 + H2O CO + 3H2

CO + H2O CO2 + H2

95 % de la production actuelle d’H2

– Oxydation partielle des hydrocarbures

– Gaséification du charbon ou biomasse

– Electrolyse de l’eau

CaHbOg + O2 + H2O CO2 + H2

H2O + ½ O2 + H2

– Voie microbiologique

La production microbiologique de l’hydrogène

Clostridium, Ruminococcus, Aeromonas, Bacillus,E h i hi Chl bi Rh d i llEscherichia, Chlorobium, Rhodospirullum,

Chromatium, ...

Microorganismes :

• BactériesAl

phototrophes• Algues chimiotrophes

Substratcarboné LumièreLumière Anaérobiose,

NutrimentsSubstrat

Nutriments carboné

C6H12O6 C6H12O6

Microorganismesphototrophes

Microorganismeschimiotrophes

Alcools acidesCO2 + H2

Alcools, acides, ...solubles

6CO + 12H 2CH COOH + 2CO + 4H... 6CO2 + 12H2 ... 2CH3COOH + 2CO2 + 4H2

Choix des souches bactériennes

120

140pa

rm

é

80

100

120

prod

uitp

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40

60

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BouesMéthanogènes Clostridium spp Entérobactériesvo

lugr

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Choix des souches de Clostridium

160de

100

120

140

160

gram

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C. therm

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C. sac

ch

C. amino

Vol

C

1000

700

800

900

)

Rendements connus

400

500

600vo

lum

e (m

l)

H2 production (mL)

70 à 250 mL H2/g de glucose

3 à 12 L H2/L.j

0

100

200

300 H2 production (mL)

1100 mL/j0

0 6 12 18 24 30

time (hours)

Production d’hydrogène à partir d’un substrat carbohydraté par une bactérie en culture discontinueune bactérie en culture discontinue

Diversité des substrats carbonésDiversité des substrats carbonés

12

14

160

180

8

10

12

ion

(mM

)

100

120

140

DC

O

4

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Con

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rati

40

60

80

100

ml H

2/g

0

2

Glucose Maltose Lactose Amidon Saccharose0

20

40

Glucose Maltose Lactose Amidon Saccharose

Formiate Acétate Ethanol Lactate Butyrate Succinate Hydrogène

Production d'H2 en bioréacteur2

35 200

25

30

) 140

160

180

e de

glu

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os

e)

15

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0

5

0

20

40

Volu

m

0 5 10 15 20 25

Temps (heure)

Glucose Succinate Lactate Formiate Acétate Ethanol Butyrate Hydrogène

Bioréacteur continu

Productivité et rendement de conversion en fonction du TRH

70

400 0

450,0

Productivité d'hydrogène Rendement

50

60

ml H

2/h)

300,0

350,0

400,0

ml/g

)

30

40

uctiv

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150 0

200,0

250,0

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ent (

en

10

20

Prod

u

50,0

100,0

150,0

Ren

00 5 10 15 20 25

Temps de rétention hydraulique (en h)

0,0

,

Temps de rétention hydraulique (en h)

Le procédé biotechnologique

Brasserie Jupiler :10 000 m3/j eaux

Biomasserésiduaire CO2 + H2 Traitement Pile à

1400 mg/L DBO53000 m3 H2 375 kW

150 kW

+ eauind. agro-aliment.

du biogaz combustible

CO2 + CH4

chaude

1000 kW

BioréacteurI

2 4

Chaudièreou moteur

Vapeur +En. mécanique

000

BioréacteurTraitement

ultimeII

Le procédé biotechnologique

Optimalisation du procédé CWBI-CIOR-LASSC

sélection des souches : bactéries, Clostridium sp isolée au CWBI

Optimalisation du procédé CWBI-CIOR-LASSC

sélection des souches : bactéries, Clostridium sp isolée au CWBI

choix des substrats : substrat résiduel et réduction des coûts

èt h i hi i t é t H t tiparamètres physico-chimiques : température, pH, concentration en substrat et métabolites, substrat azoté,…

mode de culture : régulation, discontinu, continu, …mode de culture : régulation, discontinu, continu, …

design du bioréacteur : cuve agitée, lit fixe, …

l 250 L 2L 15L 650L

Objectif réaliste :70L H2/kg DCO.h

8 4 L H /L jscale-up : 250 mL, 2L, 15L, 650L

essais prometteurs des périphériques et modélisation :alimentation directe d'une pile à combustible PEM (600 mW) avec le

8,4 L H2/L.j

alimentation directe d une pile à combustible PEM (600 mW) avec lebiogaz, biométhanisation à partir des effluents liquides provenant du bioréacteur produisant le biohydrogène

Installations pilotes du CWBI - CIOR

Le biofaçonnementLe biofaçonnement

Production de métabolites à partir de substrats carbonés- Production de métabolites à partir de substrats carbonés

- acide lactique, fumarique, malique...

- acides aminés

- alcools, aldéhydes

- enzymes

- antibiotiquesantibiotiques

- triglycérides – acides gras

Quantité de sucre nécessaire à la production des produits à f t t i bi t h l ià fort tonnage par voie biotechnologique

Teneur en matière grasse de divers microorganismesTeneur en matière grasse de divers microorganismes

R l i i l Bi h l iRelation agriculture - Biotechnologie

- Production directement ou indirectement des substratsbioassimilables

Améliorer l’accessibilité

Hémicellulose C6 et C5

Pectine

Cellulose C6

par voie chimique ou enzymatique

Utiliser la biodiversité pour valoriser certains monomères :

- xylose

- glycérol

- acide galacturonique

La véritable révolution

• une douce révolution alimentaire

- augmentation des rendements

- diminution de la dépendance énergétique

- amélioration du rendement et conservation (pays en développement)amélioration du rendement et conservation (pays en développement)

• un défi : l’agriculture source de matière première pour l’industrie é éénergétique

- produire un substrat fermentescible

- utiliser la spécificité de la biotechnologie et la force tranquille de la chimie