Vers des bio-carburants de seconde génération?

Les potentialités d'utilisation du Peuplier comme culture énergétique

Vers des bio-carburants de seconde génération?

Les potentialités d'utilisation du Peuplier comme culture énergétique

Rencontres chercheurs / enseignants« Nouvelles sources d’énergie »

Centre départemental de Documentation pédagogique

Rencontres chercheurs / enseignants« Nouvelles sources d’énergie »

Centre départemental de Documentation pédagogique

Tours 11 Février 2009Tours 11 Février 2009

culture énergétique culture énergétique

Gilles PilateGilles Pilate

Unité Amélioration, Génétique & Physiologie ForestiéresINRA Orléanspilate@orleans.inra.fr

Unité Amélioration, Génétique et Physiologie Forestières

INRA-Orléans

G. Bodinea

Unité Expérimentale Amélioration des Arbres ForestiersINRA-Orléans

3 équipes

1- Génétique- Amélioration (peuplier, mélèze, pin sylvestre, douglas, merisier)

- Diversité génétique- Interaction peuplier-rouilles

2- MéristèmeEmbryogenèse somatique (mélèze, pin)

3- XylèmeFormation du bois (peuplier)

ONFArbocentreUniversité d’Orléans (LBLGC)

Bodineau

Utilisations actuelles du bois

Papier, déroulage, sciage, bois de chauffe,…

Utilisations nouvelles du bois

Energie : Ethanol, combustion/gazéification

Matériau : fibres naturelles, bioplastique

Molécules : substances duraminisantes, antibactérienne, antifongique…

Adaptation du matériel végétal par amélioration génétique

- Modifier le développement et le métabolisme des arbres à des fins de production de biomasse et de biomolécules

- Accroître le rendement et réduire les intrants de culture

Meilleure compréhension des mécanismes moléculaires de la formation du bois

Molécules : substances duraminisantes, antibactérienne, antifongique…

Considérations générales

Deux challenges : réduire les GES et développer desalternatives à l’utilisation du carbone fossile.

Comment produire durablement des quantités énormes decarbone renouvelable?

Une réponse : la transformation de la biomasselignocellulosique, un challenge pour le futur

Nécessité de minimiser la compétition potentielle avec lescultures alimentaires

L’utilisation de la biomasse lignocellulosique rédui t la compétition avec les cultures alimentaires, avec des coûts réd uits et peu de

production de GES

Ressources agricoles Biomasse lignocellulosique

... Mais les procédés de transformation sont bien plus complexes

• De l’utilisation de l’amidon et des sucres à l’utilisation dela plante entière ... Vers la notion de bioraffinerie

• Le challenge : être capable d’utiliser l’ensemble de la

La transformation de la lignocellulose, un challenge pour le futur

• Le challenge : être capable d’utiliser l’ensemble de laplante composé majoritairement de lignocellulose

• La lignocellulose est la ressource de biomasse ubiquiste: des ressources agricoles et forestières en passant parle retraitement des déchets urbains

[Agronomie] [Prétraitement / Synthèse][Logistique]Etapes

Production ConversionCollecte

Commodités ProduitsBiomasse Intermédiaires

Biomassehumide

Ethanol

Intermédiaires

Fermentationmulti-sucres

Précondi-tionnementBroyage et/ouméthanisation

PrétraitementHydrolyse

enzymatique

Lignocellulose : quel procédé de transformation pou r la production de bioénergie?

Biomassesèche

HydrocarburesPrécondi-

tionnementBroyage et/ou

pyrolyse

Synthèse

Conditionnementgaz et séparation

Gazéification

+ Energie ChaleurElectricitéCo-génération

Huiles

Pyrolyse

+ H2O

Intermédiairesde la lignineBiogaz

© IN

RA

/ J.

Cor

mea

u

Différentes sources de biomasse lignocellulosique

• Rémanents forestiers (écorce, copeaux, produits d’élagage)

• Sous produits agricoles (paille, bagasse, ...)

Reims -07

• Sous produits agricoles (paille, bagasse, ...)• Cultures énergétiques (peuplier, saule, switch

grass, miscanthus)• Déchets municipaux (papier, emballage,..)

Potentiel de production de biomasse dans l’UE

Evolution du potentiel de différentes ressources en biomasse

Cultures pérennesen C4

Taillisà courtes rotations

Potentiel

Co-produitsPaille

Culturesannuelles

Temps

6 sections et 29 espècesréparties dans l’hémisphère nord

Le genre Populus

Populus nigra L.

Populus deltoides Bartr. ex Marsh.

Les peupliers cultivés sont majoritairement issus

Populus alba L.

Populus tremula L.

Populus trichocarpa Torr. & A. Gray

majoritairement issus d’hybridations interspécifiques, à partir de quelques espèces ...

… et sont plantés en parcellesmonoclonales.

Les peupleraies cultivées, des forêts à haute produ ctivité

� 2% de la surface forestière

� 3ème essence feuillue en volume de bois récolté

1.5 M m3 (2003)= 230 000 ha

17

(Ministère de l’Agriculture et de la Pêche, 2000)

= 230 000 ha

Le peuplier : un arbre modèle en génomique des arbr es• Croissance rapide

• Multiplication végétative (bouturage) facile

• Croisements intra- et interspécifiques

• Taille du génome relativement petite

• Transformation

�(M. V

illar, INR

A O

rléans)

18

• Collections

�(G. P

ilate et al, INR

A O

rléans)

Culture de peuplier dédiée à la production de bioma sse�2 systèmes :

• Taillis à Courte Rotation (TCR) :− 1 000 à 2 000 tiges/ha,− Rotations de 7 à 10 ans− Rendement 10 – 12 t MS/ha/an− Produit : petit arbres (diam. 15-20 cm)− Plantation agricole, récolte forestière− Plantation agricole, récolte forestière

• Taillis à Très Courte Rotation (TTCR) :− 10 000 à 15 000 tiges/ha,− Rotations de 2 à 3 ans,− Rendement : 12 – 15 t MS/ha/an− Produit : rejets (diam. 3-4 cm)− Plantation agricole, récolte agricole

Optimiser les critères de sélection pour l’améliora tion

génétique du peuplier exploité en TCR

- Critère phytosanitaire : impact de la rouille foliaire intensifié par

la densité de plantation.

20

- Critère de productivité : croissance juvénile en compétition,

aptitude au rejet de souche.

-Critère « Qualité de la biomasse » : critères spécifiques à la

production de biocarburants.

-

A q

uoi s

ert l

e bo

is…

… p

our

l’arb

re?

A q

uoi s

ert l

e bo

is…

… p

our

l’arb

re?

Différenciation des cellules de bois

Division

Elongation

Mise en place de la paroi II

Lignification

Coupe transversale de tige de peuplier

coloration safranine / bleu astra

Mort cellulaire

Duramen Aubier

Cambium

Le bois est formé principalement des parois de cellules mortes

Importance des mécanismes de formation des parois dans la définition des propriétés du bois

Bois de peuplierCoupe transversaleMicroscopie électronique à balayage (F. Laurans, INRA-Orléans)

Modèle de formation de la paroi secondaire

Des microfibrilles de cellulose cimentées dans une matrice de

lignines et d’hémicellulosesd’hémicelluloses

Prétraitement

Préparation mécanique(copeaux, broyats)

Ressource lignocellulosique(e.g. bois de peuplier)

Du bois au bioéthanolDu bois au bioéthanol

Prétraitement

Fermentation(Production d’éthanol)

Hydrolyse de la cellulose(saccharification)

Hydrolyse deshémicelluloses(sucres en C5et C6)

Xylose/Furfural/Ethanol

Lignines dissoutes

Co-produits de la lignine

Le bois est un produit complexe et renouvelable formé de cellulose (glucose), hémicelluloses (sucres en C6 et en C5), et lignines (15-30%). Ces composés sont sources de co-produits à haute valeur ajoutée à coté de la production de bioéthanol, permettant potentiellement de réduire de façon significative les coûts de production.

La séparation idéale de la biomasse...

Reims -07

… et la realité

• Prodédé Kraft• Prodédé au sulfite• Hydrolydse acide • Explosion à la vapeur (steam explosion)• Procédé Organosolv

Reims -07

• Procédé Organosolv

Présentement, aucun de ces procédés ne permet une opération efficace et bon marché

Images courtesy of Malcolm O’Neill CCRC, U of Georgia)

Fig. 2-2. Biosynthesis of walls: from genes to polymers.Fig. 2-2. Biosynthesis of walls: from genes to polymers.

Variabilité clonale pour le contenu en cellulose chez le peuplierde 48 à 56 % (75 clones de 3 ans)

Variabilité clonale pour le contenu en lignine chez le peuplierde 21 à 25% (20 clones de 8 ans)

Différents types de bois

AubierDuramen

Bois initial Bois final

Bois juvénile / bois mature

Bois final

Bois de réaction

Le phénotype (ce qui est observable) du bois est déterminé à la fois par l’environnement et par le génotype (information contenue dans les gènes).

Ces deux arbres ont le même âge, mais ont subi une sylviculture différente

Bois de tension

Formation du bois de tension

Bois normal

Timell, 1972 Lignin Galactose Glucose Mannose Arabinose X ylose

NW TW NW TW NW TW NW TW NW TW NW TW

Acer rubrum 25,4 17,5 1 1,6 42,3 59,2 3,3 1,8 1 1,3 18,1 12,2

Betula papyrifera 22 16,1 1,3 5,4 40,3 51,3 2 1,3 0,5 0,5 23,9 17,5

Fagus grandifolia 23,5 17 0,8 3 40,4 54,7 1,8 1,2 0,9 0,8 21,7 13,3

Populus tremuloides 20,9 16,8 1,1 1,4 44,4 54,5 3,5 1,3 0,9 0,8 21,2 17,1

Prunus Prunus pensylvanica 17,4 15,6 1,4 2,8 43,4 53,5 2,6 1,5 0,7 0,8 24,9 1 8,1

Robinia pseudoacacia 30,1 25,2 0,8 1,4 42 51,2 2,2 1,2 0,4 0,3 16,7 14, 2

Ulmus americana 21,7 20,2 0,9 1,4 50,2 54,3 3,4 1,5 0,4 0,5 15 ,1 13,2

En % poids sec

Joseleau et al., 2004

Le bois de tension est riche en cellulose et pauvre en lignines

Variabilité importante pour l’aptitude à former du bois de tension chez le peuplier

Optimiser les critères de sélection pour l’améliora tion

génétique du peuplier exploité en TCR

- Critère phytosanitaire : impact de la rouille foliaire intensifié par

la densité de plantation.

- Critère de productivité : croissance juvénile en compétition,

aptitude au rejet de souche.

-Critère « Qualité de la biomasse » : critères spécifiques à la -Critère « Qualité de la biomasse » : critères spécifiques à la

production de biocarburants.

- Identifier des clones de peupliers ayant un bois plus facile à

traiter pour la production de bioéthanol (par exemple ratio

lignines / cellulose)

- Mieux comprendre l’assemblage de la cellulose, des

hémicellulose et des lignines dans le bois

Samples

NIR spectra acquisition Wood chemistry Kraft cooking Physical tests Fiber morphology

Développement de phénotypage à haut débit

- Identifier des clones de peupliers ayant un bois plus facile à traiter pour la

production de bioéthanol (par exemple ratio lignines / cellulose)

NIR spectra acquisition Wood chemistry Kraft cooking Physical tests

Calibration

Near Infrared Spectroscopy (NIRS): construction d’une calibration (1/2)

Fiber morphology

Near Infrared Spectroscopy (NIRS)

NIR spectra

collection

Reference

data

- Identifier des clones de peupliers ayant un bois plus facile à traiter pour la

production de bioéthanol (par exemple ratio lignines / cellulose)

Développement de phénotypage à haut débit

collection data

Pre

dict

ed li

gnin

con

ten

t (%

)

Measured lignin content

Pre

dict

ed c

ellu

lose

con

tent

(%

)

Measured cellulose content

Example of NIRS calibration: Adult maritime pine

- Mieux comprendre l’assemblage de la cellulose, des hémicellulose et des

lignines dans le bois

Evaluation en TCR de peupliers OGM à lignines modifiées

0

20

40

60

80

100

327

Red

326

Red

325

Red

324

Red

323

Red

322

Red

321

Red

319

318

317

316

315

Con

trol

Act

ivity

(%

)

320

Red

Peupliers à lignines modifiés

X

XXX

X

XX

O H

O H

O H

O H

O HO H

O H

X

X

X

X

X

X

XX

X

X

O H O H

O H

O H

O HO H

O H

X

X

X

X

X

XX

X

X

O H

O H

O H

O H

O HO H

O H

X

X

X

X

X

XX

X

X

O H

O H

O H

O H

O HO H

O H

X

X

X

X

X

X

XX

X

X

O H

O H

O H

O H

O HO H

O H

X

X

XX XX

X

XX

X

X

X X

X

Peuplier témoin Peuplier a faible activité CAD

Le peuplier

Espèce modèle

pour la génomique chez les arbres

485 Mbp

Plus de 45 000 gènes potentiels

T10_6r

P_2828

G_151

G_2667

T1_25

T2_32

G_734

T5_6r

S12_1

1T1_15r

G_1158

G_3224

G_1260

T1_33

S13_12

P_667

G_876

G_2734

P_422

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

Position (Mb)

Genes

potentiels

Unknown

Unknown

Unknown

Unknown

Unknown

Kinase

Kinase

Kinase

Kinase

Kinase

Transferase

Transferase

La séquence du génome de peuplier

Hypothetical protein

Signal-peptide

Transmembrane_protein

Phage_tail_X peptide

Transcriptional factor B3

43Chromosome XV

P_422

G_2162

T9_9

P_684

O_461

W_14_A

O_207

W_19_A

W_21_A

S4_18

S2_2

P_2615

O_286

S4_13r

S4_14

P_2797

G_3592

G_1754

S6_18

6.0

7.0

8.0

9.0

Unknown

Unknown

Unknown

Unknown

Unknown

Unknown

Kinase

Kinase

Transferase

Transferase

Transferase

CAD

Sub-region du

Chromosome XV

Liste de gènes

Transcriptional factor B3

Putative ATP sulfurylase

PRICHEXTENSIN

Cyclin-like F-box protein

Unknown protein

Hypothetical protein

Actin 8 protein

Eggshell protein

40S ribosomal protein

Unknown protein

Putative glutelin

Extensin-like protein

Zinc finger C2H2-type protein

Unknown transferase

XYPPX repeat protein

- Mieux comprendre l’assemblage de la cellulose, des hémicellulose et des

lignines dans le bois

- Accès à l’ensemble des gènes qui participent à la formation du bois

Conclusion

• La production de biomasse est une solution attractive(parmi d’autres) pour venir à moyen terme en substitutionà l’utilisation du carbone fossile.à l’utilisation du carbone fossile.

• Entre autres possibilités, la culture du peuplier en TCRprésente des potentialités intéressantes qui sont en coursd’évaluation.

Chimie pour le Développement Durable

RdR1RdR1 : Ressources renouvelables, matières : Ressources renouvelables, matières premières, produits et matériaux.premières, produits et matériaux.

Equipes impliquées

Ca e n (1 0

L e Havre (10

350 chercheurs, enseignants-chercheurs

70 équipes de recherche académique���� 30 unités CNRS���� 11 Unités INRA���� 5 Equipes d’AccueilIFREMER, IRD

5 équipes de recherche industrielle

PrésentationL'Atelier de Réflexion Prospective (ARP) VegA, est un projet financé par l'Agence Nationale de la Recherche ( ANR), pour une durée de 2 ans (Février 2008- Janvier 20 10). Il s'agit d'un travail collectif, largement ouvert à des partenaires diversifiés, d'analyse des besoins de recherche, à partir d'un état de l’a rt des connaissances scientifiques et des besoins de recherche, à partir d'un état de l’a rt des connaissances scientifiques et des usages de la biomasse ainsi que d'une analyse d es besoins futurs en biomasse végétale.

L'ARP VegA a pour finalité d’identifier des espèces végétales (plantes annuelles ou pérennes, micro-algues) et des systèmes de producti on durables, qui répondent aux besoins en biomasse végétale renouvelable. Ces beso ins proviennent du développement de nouvelles filières énergétiques, d e la chimie verte et des biomatériaux. La durabilité des solutions identifiées est analysé e, par une approche systémique qui prend en compte leurs dimensions environnementales, sociales et économiques.

TSARTechniques Sylvicoles et Agricoles Rémédiantes

Cluster DREAM

BIOFUELS2nd GENERATION

PMII FUTUROL

« Etablir et valider, techniquement et économiquement, un process pour la production de bioéthanol à partir de biomasse lignocellulosique »

Enhancing Poplar Traits

Project partners

Institut National de la Recherche Agronomiquehttp://www.inra.fr

Sveriges Lantbruksuniversitethttp://www.upsc.se

Albert-Ludwigs-Universität Freiburghttp://www.uni-freiburg.de

Flanders Institute for Biotechnologyhttp://www.psb.ugent.be

University of Southamptonhttp://www.soton.ac.uk

Istituto di Genomica Applicatahttp://www.appliedgenomics.org

Georg-August Universität Göttingenhttp://gwdu05.gwdg.de/~uffb

SweTree Technologies ABhttp://www.swetree.com Traits

for Energy Applications

www.energypoplar.eu

http://www.swetree.com

Imperial College of Science, Technology and Medicinehttp://www.imperial.ac.uk

INRA Transferthttp://www.inra-transfert.fr

CONTACTS

Coordinator: Dr. Francis MARTININRA, Nancy, Francefmartin@nancy.inra.fr

Dissemination and Technology Transfer: Dr. Magnus HertzbergSweTree Technologies, Umeå, SwedenMagnus.Hertzberg@swetree.com

Manager: Dr. Enric BELLES-BOIXINRA-Transfert, Paris, Franceenric.belles-boix@paris.inra.fr

EnergyPoplarEuropean Seventh Framework Project FP7-211917Food, Agriculture and Fisheries, Biotechnology