Éthanol de maïs

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ÉTHANOL DE MAÏS – CE BIOCARBURANT DE PREMIÈRE GÉNÉRATION EST-IL LÀ POUR
DE BON?
Les champs de maïs ou de blé font partie du paysage dans la campagne canadienne et sont en général
associés à la nourriture. Mais ces céréales ne sont plus seulement destinées à finir sur vos rôties ou
dans votre bol. Elles se retrouvent aussi dans vos réservoirs d’essence sous la forme de carburant à
l’éthanol. Le biocarburant de première génération est produit à des fins commerciales en transformant
l’amidon de maïs et de blé en sucre, puis en utilisant de la levure pour faire fermenter ce sucre qui
devient alors de l’éthanol. Les usines de production d’éthanol sont considérées comme des bioraffineries
parce qu’elles convertissent de la biomasse céréalière en biocarburant en utilisant des enzymes et des
microorganismes vivants.
L’éthanol est un alcool liquide qui peut remplacer l’essence dans les moteurs à combustion. Ces moteurs
compriment le carburant liquide, l’allument avec une étincelle et capturent l’énergie libérée par la
réaction de combustion pour alimenter le véhicule. Il y a plus d’un siècle, Henry Ford a conçu la première
automobile, appelée Modèle T, qui fonctionnait à l’essence, à l’éthanol ou à un mélange des deux.
L’avenue biochimique, de l’épi à l’autoroute
Les usines de production d’éthanol de l’Ontario et du Québec utilisent principalement des grains de maïs
comme matière biologique (matière de départ), et celles de l’ouest du Canada utilisent surtout des
grains de blé, ce qui est représentatif de la répartition géographique de ces cultures. Le maïs constitue
plus de la moitié de la matière biologique de l’éthanol canadien. Cette transformation servira également
de modèle de conversion biochimique pour le blé, dont le processus est essentiellement le même.
Le processus de production d’éthanol se fait en cinq étapes principales (également détaillées
dans la figure 1) :
1. Broyage : Les grains entiers de maïs sont broyés mécaniquement pour en faire de la
semoule. La semoule est surtout constituée d’amidon, un polymère biologique fait de chaines
de molécules de sucre liées par covalence.
2. Liquéfaction : On ajoute de l’eau à la semoule de maïs pour en faire une « bouillie ». On
chauffe la bouillie pour séparer les granulés d’amidon. On ajoute l’enzyme alpha-amylase
pour lancer la séparation des longues molécules d’amidon en plus petits fragments.
3. Saccarification : Les fragments de polysaccaride d’amidon sont fragmentés en simple
glucose (sucre). Cette réaction est provoquée par un autre enzyme nommé glucoamylase.
4. Fermentation : On ajoute à la bouillie des microorganismes monocellulaires appelés levure.
Le glucose sert de source alimentaire à la levure pendant le processus biochimique de
fermentation. Les cellules de levure emmagasinent de l’énergie en transformant par
fermentation le glucose en éthanol.
5. Distillation, déshydratation et dénaturation : Le produit des réservoirs de fermentation ne
contient que 10 à 15 % d’éthanol et doit donc être concentré. Le point d’ébullition de l’éthanol
est plus bas que celui de l’eau, on peut donc le faire évaporer de façon sélective et le
recondenser. Ce processus de distillation produit de l’éthanol pur à 95 %. Les 5 % qui restent
sont constitués d’eau résiduelle, qui est retirée par tamis pour produire de l’éthanol
déshydraté, pur à 100 %. On ajoute une petite quantité d’essence en tant qu’agent
dénaturant pour rendre le carburant à l’éthanol non potable.
La fabrication d’éthanol de maïs génère deux sous-produits : le dioxyde de carbone (CO2) et des
drêches de distillerie. Le CO2 est produit par la levure pendant la réaction de fermentation. Il est
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souvent libéré dans l’atmosphère, mais il peut être capturé et utilisé pour faire des boissons gazeuses ou
de la glace sèche (CO2 glacé) utile pour l’entreposage à froid ou encore dans les serres potagères (pour
la photosynthèse). Les drêches de distillerie sont des résidus issus des réservoirs de fermentation, elles
contiennent les composants non fermentables des grains de maïs ainsi que la levure ajoutée. C’est un
ingrédient riche en protéines, précieux pour la nourriture du bétail.
Figure 1 : Aperçu de l’aspect biochimique de la production d’éthanol de maïs
Le processus biochimique, qui transforme les grains de maïs en carburant à l’éthanol, est résumé sous forme de texte, de
formules moléculaires et de schémas. Pour une plus grande clarté, on donne à l’amidon une formule moléculaire simplifiée. En
tant que grand polymère biologique, l’amidon a une structure et une formule moléculaire non définies à cause des points de
ramification variables dans les chaines de glucose. La liaison alpha-1,4 glucosidique entre les molécules de glucose est
caractéristique des polymères d’amidon et constitue un substrat pour les enzymes alpha-amylase et glucoamylase.
Les deux images sont tirées de Wikimedia Commons.
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Maize_Corn.jpg
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:20100911_232323_Yeast_Live.jpg
L’éthanol de maïs – Un carburant renouvelable largement utilisé
Les bioraffineries canadiennes produisent environ deux-milliards de litres d’éthanol par année (le
Canada est le 5e plus gros producteur du monde). La plus grande partie de cet éthanol est mélangé à de
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l’essence. Tous les véhicules à essence construits depuis les années 1980 peuvent fonctionner avec un
mélange contenant jusqu’à 10 % d’éthanol (E10) sans modification du moteur. Certains constructeurs
automobiles nord-américains produisent des véhicules polycarburants avec des moteurs modifiés qui
peuvent tourner avec des mélanges contenant 85 % d’éthanol et 15 % d’essence (E85). La norme sur
les carburants renouvelables du Canada, promulguée en 2010, exige que les carburants fossiles non
renouvelables contiennent en moyenne 5 % de carburant renouvelable. L’éthanol de maïs est
renouvelable puisque de nouvelles cultures de maïs poussent chaque année pour fournir de la
biomasse. C’est extrêmement plus rapide que les millions d’années qu’il a fallu pour créer les réserves
limitées de pétrole.
Quelques bonnes nouvelles : Le maïs contre le changement climatique
L’un des principaux avantages de l’utilisation de l’éthanol de maïs en tant que carburant réside dans une
réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES). En 2010, le transport a contribué pour 28 % aux
émissions de GES au Canada, dont le principal est le CO2 libéré dans l’atmosphère par la combustion
de carburants fossiles comme l’essence (Environnement Canada). Les carburants fossiles stockent du
carbone. Quand ils brulent, le CO2 qui est un sous-produit de la combustion est libéré dans
l’atmosphère, où il constitue un puissant GES et contribue au changement climatique. Il n’y a aucun
moyen de le retransformer en pétrole. Par contre, le CO2 libéré par la combustion de l’éthanol de maïs
est absorbé par les nouvelles cultures de maïs pour la photosynthèse et incorporé aux molécules de
sucre qui seront de nouveau converties en éthanol. Le carbone du carburant à l’éthanol a un billet allerretour, alors que le carbone des carburants fossiles n’a qu’un aller simple.
Cependant, le problème des GES est un peu plus complexe parce qu’il est souvent nécessaire de bruler
des carburants fossiles pour produire du carburant d’éthanol. Par exemple, les tracteurs des fermiers et
les camions qui transportent le maïs aux bioraffineries utilisent du diésel, tout comme les bioraffineries
elles-mêmes. Il faut donc effectuer une analyse des cycles de vie pour comprendre à fond l’impact des
biocarburants sur les GES en comparaison de l’impact des carburants fossiles traditionnels. Même si les
estimations varient énormément, une analyse récente des cycles de vie canadienne a établi que
l’utilisation d’éthanol de maïs pur (E100) en guise de carburant réduisait les émissions de GES d’environ
45 % par rapport à l’essence. Des mélanges
Dynamique mondiale de production d’éthanol en 2012
E5
ou
E10
auraient
un
impact
Les États-Unis sont le plus gros producteur et exportateur de maïs
proportionnellement plus faible.
Il ne faut pas oublier que la norme sur les
carburants renouvelables du Canada exige
que l’essence contienne en moyenne 5 % de
carburant renouvelable. Ce pourcentage est
aujourd’hui atteint grâce à l’éthanol de maïs
ou de blé (E5). Qu’en est-il du mélange E85
qui pourrait être utilisé dans les véhicules
polycarburants?
Certaines
entreprises
canadiennes disposant d’une importante
flotte de véhicules utilisent du E85, mais il
n’est pas encore offert sur le marché. Au
Canada, il n’existe encore que trois ou
quatre stations d’essence qui vendent du
E85, et elles sont toutes en Ontario. En
revanche, il y a plus de 2000 stations
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du monde. Ils sont également le chef de file de la production de
carburant à l’éthanol avec 50 milliards de litres par année. La
norme sur les carburants renouvelables des États-Unis exige que
l’essence contienne aujourd’hui 9 % d’éthanol, et près de 40 % des
cultures de maïs y sont consacrés à la production d’éthanol (en
comparaison, près de 10 % des récoltes canadiennes sont
converties en éthanol). La récolte de maïs de 2012 ayant été
réduite à cause de la sècheresse aux États-Unis, la communauté
internationale fait pression sur le gouvernement pour qu’il renonce
à ses exigences en matière d’éthanol pour un an. L’Organisation
des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture demande une
exception pour éviter de faire baisser les réserves et de faire
monter les prix du maïs sur le marché mondial. Pour le moment, les
exigences des États-Unis quant à l’éthanol demeurent inchangées.
En revanche, l’Union européenne fait plafonner le contenu autorisé
de biocarburant à base de maïs alimentaire à 5 % (E5), à la fois
pour réduire la pression sur les prix des céréales et pour prévenir
l’épuisement des sols par la culture de maïs destiné au
biocarburant.
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d’essence qui ont des pompes de E85 aux États-Unis, même si cela ne totalise que 2 % de l’ensemble
des stations d’essence.
Quelques nouvelles relativement bonnes : L’Éthanol et le bilan énergétique
L’éthanol est une excellente source d’énergie, mais les grains de maïs ne se transforment pas en
éthanol d’eux-mêmes. Si la quantité d’énergie consommée pour produire un carburant est supérieure à
la quantité d’énergie produite, ce carburant a un bilan énergétique négatif (ce qui n’est pas bon). Si la
quantité d’énergie produite est supérieure à celle qu’il a fallu pour produire le carburant, ce carburant a
un bilan énergétique positif (ce qui est bon). Au début de la production d’éthanol, de nombreuses
études ont révélé que son bilan énergétique était négatif. Cependant, de récentes analyses des cycles
de vie, américaines et canadiennes, ont démontré que le bilan énergétique était légèrement positif,
l’éthanol de maïs fournissant jusqu’à deux fois l’énergie utilisée pour le produire. Cette amélioration est
surtout due aux nouvelles bioraffineries construites selon les normes d’efficacité énergétiques modernes.
Il se peut que le maïs d’éthanol canadien ait des résultats légèrement meilleurs parce que le Canada
utilise moins de fertilisant à base d’azote et n’irrigue pas le maïs.
Quelques nouvelles qui pourraient être décourageantes : Le débat « nourriture et
carburant »
Le problème que pose l’éthanol est à la fois économique et éthique, puisque les terres sont cultivées
pour produire du carburant plutôt que de la nourriture. On a reproché aux biocarburants de la première
génération, comme l’éthanol, de détourner la nourriture au profit de la production de carburant et de faire
monter les prix des aliments, ce qui limite l’accès des populations pauvres à une nutrition adéquate. Le
maïs est une matière biologique renouvelable, mais ses réserves dépendent de chaque récolte. Quand
les conditions agricoles sont bonnes, les réserves de maïs suffisent largement à nourrir les êtres
humains et les animaux ainsi qu’à produire du biocarburant. Cependant, quand les récoltes sont moins
bonnes, comme lors de la sècheresse de l’été 2012, les réserves sont moins abondantes. Quand les
réserves d’une marchandise (tout ce qui s’achète, se vend ou s’échange) baissent, par exemple le maïs,
les prix montent (voir encadré page 3).
Bien sûr, certains ont d’autres arguments en faveur de l’éthanol de maïs. Les défenseurs du carburant à
l’éthanol mettent de l’avant des études qui montrent que le cout de plus en plus élevé du carburant
fossile (comme le diésel utilisé par la machinerie agricole et les véhicules qui transportent la nourriture) a
un impact beaucoup plus important sur les prix alimentaires que la compétition avec les biocarburants.
Par ailleurs, on peut prouver que, jusqu’à maintenant, en Amérique du Nord, les rendements croissants
des cultures ont permis de répondre à la demande pour la production d’éthanol et n’épuisent pas
davantage les sols que l’agriculture.
Il n’existe surement pas de réponse évidente à ce problème parce que la chaine alimentaire et l’industrie
du biocarburant à l’échelle mondial sont liées étroitement et de façon complexe. Cependant, partout
dans le monde, on est de plus en plus conscient des possibles inconvénients des biocarburants à base
de cultures vivrières de première génération, et on s’oriente vers des biocarburants de deuxième
génération qui utilisent de la matière biologique non alimentaire comme les résidus agricoles, les
déchets de restauration et les eaux usées municipales.
En apprendre davantage :
Aperçu sur le carburant à l’éthanol de Ressources naturelles Canada :
http://oee.rncan.gc.ca/transports/carburants-remplacement/carburants-faits/ethanol/6266
Vidéo donnant un aperçu de la production d’éthanol de maïs (du Nebraska Corn Board) :
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http://www.youtube.com/watch?v=PVaLN4qpDl8&feature=BFa&list=PLD0E056A971AD28B6 (Anglais)
Détails sur l’aspect biochimique de la production d’éthanol de maïs :
http://www.extension.purdue.edu/extmedia/ID/ID-328.pdf (Anglais)
Vidéo très intéressante sur les analyses des cycles de vie des GES (carbone) libérés par le carburant à
l’éthanol :
http://vimeo.com/13863359 (Anglais)
Vidéo similaire sur les analyses des cycles de vie du carburant à l’éthanol :
http://vimeo.com/13864884 (Anglais)
Renseignements supplémentaires sur le débat actuel « nourriture et carburant » :
http://www.theglobeandmail.com/report-on-business/industry-news/energy-and-resources/corn-shortageforces-trade-off-between-food-and-ethanol/article4488600/(Anglais)
http://www.bbc.co.uk/news/world-europe-19982214 (Anglais)
http://www.greenfuels.org/uploads/documents/08-1012%20ethanol%20production%20and%20food%20prices.pdf (Anglais)
Références supplémentaires :
Rapport du Conference Board du Canada sur le carburant à l’éthanol canadien :
http://www.conferenceboard.ca/e-Library/abstract.aspx?did=4511 (Anglais)
Information provenant de l’Association canadienne des carburants renouvelables :
http://www.greenfuels.org/uploads/documents/ethanol-fact-sheet-august102011.pdf (Anglais)
Rapport très technique sur les GES et le bilan énergétique du carburant à l’éthanol, produit par Modèle
GHGenius de Ressources naturelles Canada : http://www.ghgenius.ca/reports.php (Anglais) (Lien vers
des mises à jour sur le biocarburant, inscription gratuite requise).
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