Décarbonation & microalgues

CarbonWorks

Décarbonation & microalgues

Un jour – bientôt ? – notre planète sera un monde sans carbone.

Sans carbone fossile, bien sûr, nous avons en effet besoin de carbone, nous sommes nous-mêmes constitués de carbone !

Et sans carbone fossile, comment s’organiseront nos sociétés ?

Du point de vue de la production d’énergie, nous devrions trouver des solutions avec les énergies renouvelables et les énergies décarbonées.

Mais du point de vue de la production des intrants nécessaires à notre alimentation, à notre agriculture, à la chimie dont nous avons besoin, aux matières premières de l’industrie, où allons-nous trouver le carbone qui les constitue et qui, aujourd’hui, provient des ressources fossiles ou minérales ?

Il ne sera pas possible de le trouver dans la nature – en tout cas pas dans les quantités nécessaires. La nature est en effet soumise à une pression croissante : sécheresses, inondations, baisse des rendements agricoles, concurrence des acteurs économiques pour accéder à la biomasse.

Il faut donc aller cherche le carbone ailleurs.

Cet ailleurs, c’est le CO₂.

Chez CarbonWorks, le vivant inspire nos travaux, et même les habite.

Pour aller chercher le carbone C dans le CO₂, CarbonWorks utilise un service que la nature nous rend très bien : la photosynthèse. La photosynthèse, c’est cette capacité qu’ont la plupart des plantes de capturer dans le CO₂ le carbone C dont elles ont besoin, tout en permettant de relarguer dans l’atmosphère une molècule d'oxygène O₂.

Et pour cela CarbonWorks utilise des microorganismes qui le font avec un immense talent :

les microalgues photosynthétiques.

Ces microalgues sont des microorganismes fascinants. Ce sont des organismes dont la taille est comprise entre 1 et 100 microns, qui capturent le CO₂ par photosynthèse et savent par ailleurs produire des molécules particulières : calcaire, silice, lipides, protéines, toxines, etc. En choisissant la bonne souche d’algue, on cultive des micro-usines qui produisent de manière naturelle la molécule souhaitée, et donc les ressources renouvelables recherchées.

La difficulté, aujourd'hui, est que l'on ne sait pas cultiver les microalgues à l’échelle des besoins en termes de ressources renouvelables comme de capture de CO₂.

C’est précisément le défi de CarbonWorks. CarbonWorks développe une technologie innovante de culture des microalgues à grande échelle : alors que les cultures conventionnelles produisent de 80 à 100 tonnes de biomasse/ha/an, CarbonWorks vise la production de 5000 tonnes de biomasse/ha/an et, pour cela, la capture de 10000 tonnes de CO₂/ha/an.

Il s’agit là d’une opération de Capture de Carbone et son Utilisation, ou CCU.

Les microalgues peuvent faire beaucoup de choses. Quand on parle de production à l’échelle des besoins, on parle de grands volumes. Et pour CarbonWorks, les 1ères applications des microalgues en grands volumes, c’est l’alimentation humaine.

CarbonWorks développe pour ses partenaires des applications dans l’agriculture (produits de biocontrôle en contribution au plan Ecophyto II) ou produits de biostimulants pour pallier la chute des rendements agricoles, les nutraceutiques (oméga 3 par exemple, pour apporter des solutions de santé sans recourir à la surpêche), l’alimentation animale, les protéines. Mais c’est aussi la cosmétique, la pharmacie, la chimie biosourcée !

Dans un monde sans carbone fossile, dans un monde dans lequel la nature est sous pression, s’allier au vivant pour produire nos ressources de demain est essentiel et occupe toute l’équipe de CarbonWorks.

Découvrez l’approche CarbonWorks

L’invention de la photosynthèse sur la planète Terre

Jean-Marie Pelt, dans son livre La vie sociale des Plantes (Fayard), décrit de manière évocatrice, poétique mais totalement scientifique, l’émergence de la photosynthèse sur Terre.

« C’est alors que la Vie réussit son deuxième coup de génie : l’invention de la photosynthèse, c’est-à-dire d’une source désormais intarissable et inépuisable de glucose [dont l’origine est le carbone contenu dans le CO₂], à laquelle tous les processus vivants pourraient indéfiniment s’alimenter. La photosynthèse est la réponse de la Vie au plus grand défi qu’elle dut affronter : la famine. [La Vie] allait désormais faire effectuer ses synthèses par les êtres vivants eux-mêmes, plus exactement par ceux d’entre eux qui avaient acquis la capacité de faire de la chlorophylle.

La première trace d’un être chlorophyllien remonte, si l’on en croit les fossiles calcaires de Bulawayo en Rhodésie [atuel Zimbabwé], à 3 100 000 000 années. Puis la Vie a traîné pendant près d’un milliard d’années encore avant que des communautés d’algues bleues, ces premiers êtres chlorophylliens, se développent puissamment et laissent cette fois des traces abondantes dans les fossiles.

La chlorophylle, pigment vert des plantes, et une des molécules essentielles de la vie ; sorte de pile solaire, elle capte l’énergie des rayons lumineux et s’en sert pour synthétiser – à partir des molécules les plus simples et les plus abondantes : l’eau et le gaz carbonique omniprésent – les sucres qui sont les matériaux indispensables à la vie : c’est la photosynthèse. Les êtres chlorophylliens, algues microscopiques ou plantes vertes, sont donc des usines productrices de matière vivante  ; tel est le rôle premier d’une prairie ou d’une forêt. Et comme toute usine, celle-ci produit des déchets, en l’occurrence l’émission d’un gaz « polluant » : l’oxygène. »

Réinventer la photosynthèse

La famine ! « La photosynthèse est la réponse de la Vie au plus grand défi qu’elle dut affronter : la famine ». Manque de glucose il y a plus de 3 milliards d’années, qui impose d’aller chercher l’énergie dans la lumière et le carbone dans un CO₂ ultra présent dans l’atmosphère. Manque de carbone aujourd’hui, puisque pour des questions de survie de l’humanité on souhaite s’interdire d’aller chercher dans le sous-sol le carbone qui nous est nécessaire ; et, dans la même dynamique, c’est dans le CO₂, via la photosynthèse, que l’on va trouver une partie des réponses.

La photosynthèse, c’est bien une partie de la réponse à un monde sans carbone fossile. Nous ne pouvons pas nous passer de carbone ; où irons-nous le chercher ? Dans le CO₂ !

C’est ce que nous faisons depuis plus de 10 000 ans via l’agriculture ou dans l’exploitation des bois : c’est la photosynthèse que nous exploitons.

Mais aujourd’hui cette exploitation naturelle de la photosynthèse n’est plus suffisante. Nos besoins ont cru, alors que la biomasse dans laquelle nous vivons (la nature) subit une attrition sans précédent. Les sécheresses, ou tout simplement les vagues de chaleur, les inondations, les incendies, la déforestation, la baisse des rendements agricoles, la concurrence accrue pour l’accès de l’industrie à la biomasse, tout concourt à réduire sa disponibilité.

Et tout nous incite donc à inventer une nouvelle voie, une voie de production de biomasse additionnelle par photosynthèse !

C’est le défi que relève CarbonWorks : CarbonWorks invente le procédé de culture de microalgues photosynthétiques à grande échelle. Avec l’objectif de capturer le CO₂ par photosynthèse, d’une part, et de produire une biomasse additionnelle, d’autre part, avec des rendements surfaciques tellement élevés que cette production n’entre pas en compétition avec l’agriculture.

Pourquoi les microalgues ?

Les microalgues sont les microorganismes qui ont inventé la photosynthèse.

Grâce à une antériorité de plus de 1 milliard d’années, grâce au fait que ce sont des organismes unicellulaires, les microalgues ont une capacité de croissance et de multiplication unique parmi les organismes photosynthétiques. Et donc une capacité de production de biomasse – et donc de capture de CO₂ – bien supérieure aux plantes terrestres. Pour les plus rapides d’entre elles, ces microalgues se dédoublent toutes les 2 à 7 heures dans des conditions adéquates*, et toutes les 24 heures environ pour les souches communément produites.

Par ailleurs, ces mêmes microalgues ont développé des stratégies d’adaptation à leur environnement. Pour cela, elles ont appris à produire certaines molécules comme les pigments caroténoïdes qui vont protéger la cellule de l’excès de lumière et de ses effets délétères sur l’appareil photosynthétique, des polymères saccharidiques qui vont former une gangue autour des cellules et leur permettre de se fixer sur des supports ou se protéger d’un environnement défavorable, des protéines résistantes à la température qui leur permet de vivre dans les environnements volcaniques. Les microalgues ont également développé la capacité à se mouvoir dans un milieu aqueux grâce au flagelle, de construire une paroi protectrice autour de la cellule qui peut être de nature diverse, par exemple de silice chez les diatomées ou de calcaire chez les coccolithophores.

Par ces stratégies, à titre d’exemple, la production de lipides par les microalgues est de 7 à 31 fois plus élevée en comparaison aux plantes dans des conditions de culture classiques.

*: Yu, J., Liberton, M., Cliften, P. et al. Synechococcus elongatus UTEX 2973, a fast growing cyanobacterial chassis for biosynthesis using light and CO2. Sci Rep 5, 8132 (2015)

Au sein des écosystèmes, le rôle des microalgues est avant tout de construire une gigantesque quantité de biomasse à partir du CO₂ atmosphérique et des éléments minéraux disponibles tout en produisant de l’oxygène. Cette biomasse est le premier maillon de la chaîne alimentaire, notamment océanique que l’on appelle communément le phytoplancton.

Les microalgues sont la source primaire de nutriments essentiels comme les acides gras polyinsaturés à longue chaîne (EPA et DHA), indispensables au développement de nombreux animaux (dont les poissons et l’humain), les pigments caroténoïdes, qui sont de puissants antioxydants protecteur des cellules contre les radicaux libres ou du rayonnement UV. L’astaxanthine, un pigment caroténoïde rouge synthétisé par certaines microalgues, est à l’origine de la couleur rose ou rouge des crustacés, de la chair du saumon et des plumes des flamants roses.

Les microalgues sont utilisées dans l’économie depuis les années 50.

Les systèmes de culture utilisés sont des systèmes de culture extensive, essentiellement des raceway, des systèmes tubulaires, des panneaux plats. Ce sont des systèmes éprouvés, qui répondent bien à l'objectif d’une production limitée. Leur emprise foncière est en effet très importante, puisqu’ils ne permettent pas de produire plus de 80 à 100 tonnes de biomasse par hectare et par an. Ils sont donc utilisés pour des utilisations de volume réduit : la cosmétique et certaines applications de nutraceutique principalement.

Et demain ?

Demain, c’est-à-dire bientôt, CarbonWorks proposera l’utilisation de son photobioréacteur de nouvelle génération, un photobioréacteur industriel d’un rendement surfacique de 5000 t biomasse/ha/an – et donc de 10000 t CO₂ capturé/ha/an.

C’est cette performance qui permettra de déverrouiller l’utilisation des microalgues dans l’industrie, afin de la décarboner. Grâce à cette capacité à produire des microalgues à grande échelle, CarbonWorks permet l'utilisation par l'agriculture et l’industrie de ressources renouvelables produites à partir de CO₂.

C’est la CCU : la Capture de Carbone et son Utilisation. En allant chercher non plus dans le sous-sol mais dans le CO₂ le carbone dont nous avons tous besoin, la CCU permet d’éviter les émissions usuellement liées à la production des matières premières de l’industrie.