Bioethanol Production from Two-Stage Hydrothermally Pretreated Sugarcane Bagasse: Enzymatic Saccharification, Fermentation Optimization and Mass Balance Analysis

La soif d'énergie du monde dépasse l'offre de combustibles fossiles, les restes anciens et finis de plantes et d'animaux qui alimentent la civilisation depuis des siècles. La combustion de ces combustibles libère du dioxyde de carbone qui a été piégé sous terre pendant des éons, accélérant le changement climatique et réchauffant la planète. Les scientifiques recherchent de toute urgence un autre type de carburant, un carburant issu du vivant qui recycle le carbone dans l'atmosphère sans ajouter de fardeau supplémentaire. C'est la promesse des biocarburants. La source la plus abondante d'un tel carburant n'est pas les cultures alimentaires comme le maïs ou le jus de canne à sucre, mais les déchets fibreux et ligneux laissés après leur récolte. Ce matériau, connu sous le nom de biomasse lignocellulosique, est robuste et résistant par conception ; c'est le squelette structurel des plantes, construit pour résister aux éléments. Pour transformer cette fibre dure en carburant liquide, les chercheurs doivent d'abord la décomposer en sucres simples que la levure peut consommer, un processus qui a historiquement nécessité des produits chimiques agressifs ou une quantité immense d'énergie.

Dans une étude récente, une équipe de chercheurs en Inde a relevé ce défi en utilisant la bagasse de canne à sucre, le résidu sec et pulpeux laissé après le broyage de la canne pour faire du jus. Ce matériau est généré en quantités massives, pourtant une grande partie est brûlée ou jetée. Les chercheurs visaient à convertir ce déchet en bioéthanol, un alcool combustible propre, en utilisant une méthode qui évite totalement les produits chimiques toxiques. Ils se sont concentrés sur un processus physique en deux étapes pour libérer les sucres cachés à l'intérieur des fibres végétales. D'abord, ils ont soumis la bagasse à une chaleur et une pression intenses lors d'un traitement hydrothermal, consistant essentiellement à la « cuire » dans l'eau pour ramollir sa structure. Immédiatement après, sans laver ni neutraliser le matériau, ils l'ont passé dans un broyeur mécanique. Cette combinaison de chaleur et de force physique a éliminé plus de la moitié de la lignine, ce polymère collant et semblable à de la colle qui maintient les fibres végétales ensemble et bloque l'accès aux sucres. Le résultat fut une biomasse nettement plus riche en glucides fermentescibles nécessaires au carburant, le tout sans générer les flux de déchets chimiques typiques des autres méthodes.

Une fois la coque externe dure de la plante décomposée, l'équipe s'est tournée vers les outils de la nature pour terminer le travail : les enzymes. Au lieu d'acheter des enzymes commerciales coûteuses, ils ont cultivé leurs propres enzymes en laboratoire en utilisant du son de blé comme source de nourriture pour des types spécifiques de champignons. Ils ont cultivé deux souches, Trichoderma viride et Trichoderma harzianum, qui produisent naturellement des enzymes capables de digérer les parois cellulaires végétales. Après quelques jours de croissance, ils ont récolté le liquide contenant ces enzymes et l'ont légèrement purifié pour concentrer sa puissance. Lorsqu'ils ont appliqué ces enzymes fongiques à la bagasse prétraitée, les enzymes ont agi comme des ciseaux biologiques, découpant les longues chaînes de cellulose et d'hémicellulose en molécules de sucre individuelles. Le processus fut très efficace ; en quarante heures, les enzymes ont libéré une quantité massive de sucre à partir du matériau végétal. L'équipe a constaté que les enzymes de Trichoderma viride étaient particulièrement puissantes, convertissant près des deux tiers des glucides disponibles en sucres. Lorsqu'ils ont mélangé les enzymes des deux souches fongiques ensemble, la combinaison a été encore plus performante, libérant un peu plus de sucre grâce aux manières complémentaires dont les deux enzymes attaquent la structure végétale.

L'étape finale consistait à transformer ces liquides riches en sucre en carburant. Les chercheurs ont introduit une levure commune, Saccharomyces, dans la solution sucrée. Ce microbe consomme naturellement le sucre et excrète de l'éthanol comme sous-produit. Dans un environnement contrôlé, la levure a travaillé efficacement, consommant presque tout le sucre disponible en une journée. Le résultat fut un liquide clair contenant du bioéthanol à une concentration de 6,39 grammes par litre. Crucialement, les chercheurs ont confirmé que ce rendement n'était pas seulement une possibilité théorique, mais une réalité mesurée, atteignant 86 % de la quantité maximale de carburant qui pourrait potentiellement être produite à partir de cette quantité spécifique de sucre. Parce que le prétraitement initial a évité les produits chimiques agressifs, la solution sucrée ne contenait pas les sous-produits toxiques qui tuent souvent la levure ou stoppent la fermentation dans d'autres processus, permettant ainsi à la levure de travailler à son efficacité maximale.

Pour comprendre ce que cela signifie pour le monde réel, les chercheurs ont calculé le rendement potentiel à grande échelle. Ils ont estimé que pour chaque hectare de canne à sucre cultivé en Inde, la bagasse produite pourrait être convertie en environ 3 263 litres de bioéthanol. Ce chiffre suggère que le processus n'est pas seulement une curiosité de laboratoire, mais une voie viable vers une production à l'échelle industrielle. L'étude démontre qu'il est possible de créer une chaîne complète et écologique pour la production de carburant : partir de déchets agricoles, utiliser la chaleur et la force mécanique pour ouvrir les fibres végétales, employer des champignons cultivés sur des sous-produits de céréales bon marché pour libérer les sucres, et enfin utiliser la levure pour fermenter ces sucres en carburant. En prouvant qu'une approche sans produits chimiques peut atteindre des rendements élevés, la recherche offre un modèle convaincant pour une bioéconomie circulaire, où les déchets agricoles sont transformés en une source d'énergie durable sans le coût environnemental du traitement chimique.