Valeur élevée, zéro déchet : des chercheurs conçoivent une nouvelle bioraffinerie

La biomasse, c'est-à-dire les matières premières biologiques cultivées, est un grand trésor. Nous la mangeons, la nourrissons, la brûlons ou l'utilisons. Ce qui reste est généralement composté, mis en décharge ou incinéré. Pourtant, chaque résidu inutilisé recèle un potentiel. Les bioraffineries intelligentes et intégrées constituent l'un des moyens d'exploiter ce potentiel. Contrairement aux bioraffineries conventionnelles, dans lesquelles les entreprises chimiques, par exemple, extraient un produit biochimique particulier à partir d'une matière première biologique particulière, ces bioraffineries combinent plusieurs processus de conversion.

Le potentiel des bioraffineries intelligentes est immense

Nader Marzban est chercheur à l'Institut Leibniz pour l'ingénierie agricole et la bioéconomie (ATB) et auteur principal du document conceptuel "Smart Integrated Biorefineries in Bioeconomy : Un concept vers le zéro déchet, la réduction des émissions et la production d'énergie autosuffisante". Il décrit ce concept comme suit : "Il existe de nombreuses technologies de conversion qui génèrent des matériaux précieux à partir de la biomasse. Elles comprennent notamment la fermentation microbienne, telle que la digestion anaérobie, et la pyrolyse. La digestion anaérobie, par exemple, produit du biogaz, le digestat restant contenant encore des composés organiques de valeur. Au lieu de l'utiliser comme engrais, comme c'est traditionnellement le cas, nous pouvons convertir ce digestat en substances humiques artificielles grâce à l'humification hydrothermale. Introduites dans le sol, ces substances stabilisent la diversité bactérienne et améliorent la santé du sol. Une autre approche prometteuse est la combinaison de la fermentation anaérobie avec la pyrolyse, c'est-à-dire la carbonisation. Dans ce cas, le biochar agit comme un catalyseur et augmente l'efficacité de la production de biogaz. En même temps, le biochar est enrichi en nutriments. Il peut ainsi maintenir les nutriments disponibles dans le sol pendant une longue période et, selon les conditions du processus, stocker le carbone pendant plus d'un siècle.

Un autre exemple est celui de la fermentation. L'ajout de biochar permet d'éliminer les inhibiteurs de fermentation, ce qui augmente considérablement le rendement en éthanol et en acide lactique. En outre, la biochaleur et l'électricité produites pendant la pyrolyse peuvent être utilisées pour la fermentation, ce qui réduit la dépendance à l'égard des sources d'énergie externes. Les émissions de CO₂ provenant de la pyrolyse peuvent être capturées et utilisées pour la culture d'algues, qui servent à leur tour de source alternative de protéines."

Le potentiel des bioraffineries intelligentes est immense, mais le nombre d'optimisations possibles l'est tout autant. Les processus industriels tels que la digestion anaérobie, la fermentation, la pyrolyse, la carbonisation et l'humification ont chacun des paramètres ajustables et peuvent être combinés de diverses manières. Au lieu de s'appuyer sur un seul type de biomasse, les chercheurs travaillent avec 90 matières premières différentes qui varient selon les régions et les saisons. En définissant des objectifs clés et des paramètres ajustables pour chaque processus, des millions de scénarios potentiels sont créés.

Le Dr Marzban souligne : "L'étude expérimentale de tous ces scénarios serait extrêmement coûteuse et prendrait beaucoup de temps. Or, le temps est un luxe que nous ne pouvons pas nous permettre. Notre économie est encore fortement dépendante des matières premières fossiles. Nous en voyons déjà les effets négatifs. C'est pourquoi nous nous appuyons sur des simulations pilotées par l'IA pour identifier les approches les plus efficaces. En tant que spécialistes des procédés, nous procédons étape par étape et optimisons d'abord des sous-systèmes, que nous relions ensuite progressivement pour les combiner en un ensemble plus vaste."

Une bioéconomie durable, sans déchets et dans les limites de la planète

L'expertise industrielle mondiale et les résultats de recherches approfondies - y compris celles de l'ATB - fournissent une riche base de données pour le développement ultérieur des processus de conversion de la biomasse existants. Les technologies clés sont les capteurs qui mesurent directement dans les processus et aident à mieux comprendre les interactions produit-processus, ainsi que l'intelligence artificielle, les jumeaux numériques et les techniques de modélisation avancées. En exploitant les données, les capacités de traitement et les algorithmes, il est possible de développer des bioraffineries intégrées intelligentes, adaptables et évolutives, capables de traiter des milliers, voire des millions, de scénarios.

Barbara Sturm, directrice scientifique de l'ATB et auteure correspondante de l'article, explique : "Les bioraffineries intégrées intelligentes peuvent être développées à l'aide de réseaux et de dialogues entre différents systèmes modélisés, puis validées dans la réalité. Ce processus de validation permet d'identifier les lacunes et de découvrir les opportunités cachées, qui peuvent être traitées soit en réaffectant les technologies et les systèmes existants, soit en introduisant des solutions innovantes telles que les substances humiques artificielles. Dans cette approche systémique, chaque composant de la bioraffinerie cherche activement à établir des liens avec les autres, formant ainsi des réseaux intégrés plus vastes. Ce système simule en permanence les étapes suivantes afin de trouver le meilleur moyen d'atteindre les objectifs fixés. Cela renforcera la durabilité et la circularité dans les modèles bioéconomiques, créera des emplois et soutiendra les décideurs politiques. Notre vision est de parvenir à une bioéconomie plus résiliente, plus efficace et à l'épreuve du temps grâce à cette intégration systémique".

L'approche intégrée pourrait nous permettre de créer une bioéconomie véritablement durable, sans aucun déchet et en respectant les limites de notre planète. Elle accroît la rentabilité et la compétitivité, ce qui est une nécessité urgente compte tenu de la baisse du coût des produits fossiles. Néanmoins, le soutien des gouvernements et les interventions politiques sont essentiels pour faciliter et accélérer la transition vers les technologies vertes. À long terme, les bioraffineries intégrées et intelligentes seront sans aucun doute plus rentables que les systèmes axés sur un seul processus. Elles réduiront également la nécessité d'importer des matières premières et augmenteront ainsi la résilience de nos systèmes économiques.

Le temps de la mise en œuvre

Avec le document de réflexion, l'équipe de l'ATB et ses partenaires de l'université de Potsdam et de l'université technique de Berlin ont fait le premier pas. L'heure est maintenant à la démonstration et à la mise en œuvre. En mars prochain, ATB commencera la construction d'une bioraffinerie à des fins de recherche à Groß Kreutz, dans le Brandebourg, en Allemagne. Celle-ci viendra compléter les installations et usines pilotes existantes sur le site de Potsdam et le Fieldlab pour l'agriculture numérique à Potsdam-Marquardt. Dans le cadre de la ferme d'innovation Leibniz pour la bioéconomie durable (InnoHof®), une installation est en cours de création qui non seulement réunira la recherche et la pratique d'une manière co-créative, mais démontrera également la faisabilité de ces concepts.

En outre, l'ATB est en train de demander une extension de l'institut afin d'intégrer ces approches systémiques de manière encore plus cohérente dans ses recherches. En collaboration avec l'université d'Osnabrück, l'ATB occupe actuellement un poste de professeur en sciences des systèmes dans le domaine de la bioéconomie. Le professeur Sturm insiste sur ce point : "Nous devons penser ensemble les innovations systémiques, techniques, sociales et économiques. Ce n'est que si nous comprenons un système dans son ensemble que nous pourrons optimiser les sous-systèmes de manière à ce qu'ils contribuent efficacement à la durabilité. Avec notre concept, nous allons intensifier la recherche interdisciplinaire sur la bioéconomie avec les décideurs politiques, les chefs d'entreprise et le secteur de l'alimentation et de la nutrition dans le but d'accroître la résilience de notre système économique, de rendre notre économie plus durable et de soutenir la souveraineté technologique de l'Allemagne et de l'Europe".