Logo de votre société ici

 

Première partie : De la photosynthèse aux biocarburants

  

 

I) La photosynthèse, production de matière organique 

 

         Le processus de photosynthèse permet à certains êtres vivants d’utiliser l’énergie lumineuse pour construire leur propre matière carbonée à partir de molécules simples. Les premières expériences sur ce processus remontent au XVIIIème  siècle, mais il faut attendre le XIXème siècle pour mettre en évidence la facette énergétique. La photosynthèse par les plantes assure le renouvellement de l’oxygène sur la planète. L’énergie solaire capturée par le processus de photosynthèse est la source  de plus de 90% des énergies utilisées par l’homme. La photosynthèse n’est pas l’apanage des végétaux. Outre les plantes terrestres et les algues, beaucoup de bactéries utilisent ce procédé sans pour autant produire d’oxygène.

On préfère donc définir aujourd’hui la photosynthèse comme la conversion d’énergie solaire en énergie chimique.

Chez les plantes, l’ensemble des réactions se déroulant lors de ce processus est habituellement décrit en deux phases. La première requiert l’utilisation de la lumière, et aboutit à la formation d’oxygène, d’ATP et d’agents réducteurs à partir de l’eau. Dans la seconde phase, l’ATP et les agents réducteurs sont utilisés comme source d’énergie pour la transformation du dioxyde de carbone en sucre.

En pratique, la photosynthèse chez les plantes peut être représentée par l’équation suivante :

6H2O + 6CO2 + énergie  lumineuseà6O2 + C6H12O6

qui résume le processus chimique.

 

 

 

         A) La localisation de la photosynthèse dans les plantes

 

 

Pour les plantes, la photosynthèse s’effectue au niveau de leur partie verte, dans de minuscules structures en forme de lentilles de quelques micromètres (10-6 mètre) de diamètre, gorgées de chlorophylle : les chloroplastes. (Figure 1)

Les feuilles qui jouent le rôle de capteur solaire, peuvent contenir 100 000 chloroplastes par millimètre carré. Au microscope électronique, chacun apparaît  délimité par une double enveloppe. A l’intérieur, on trouve un réseau complexe de membranes qui forment des sacs aplatis, souvent empilés les uns sur les autres : les thylakoïdes. (Figure 2) C’est dans ces membranes que se trouve la chlorophylle et les autres pigments, étroitement associés à des protéines.

Toutes les étapes de l’évolution de la photosynthèse ont été réalisées par des bactéries.

Le précurseur des cellules eucaryotes végétales a probablement réalisé une endosymbiose avec une cyanobactérie capable de réaliser la première étape de la photosynthèse et ainsi pu former une algue primitive. Les chloroplastes descendent des cyanobactéries.

 

 

 

 

Figure 1:  Cellules végétales chargées de chloroplastes (microscopie optique)×100  

    

 

    

Figure 2: Schématisation d'un chloroplaste

 

   

Figure 3 : Molécules de chlorophylle a et de carotène

 

        

                 B) La phase photochimique

 

                                                                      1.      Absorption de la lumière

 

a)     Les pigments

C’est sur la récupération de l’énergie lumineuse que repose la photosynthèse.

Le captage des photons fait appel à des pigments, c'est-à-dire des molécules apparaissant colorées à l’œil humain car elles absorbent une partie du spectre lumineux.

Pour les plantes, il s’agit principalement de la chlorophylle. Elle absorbe les couleurs bleu et rouge d’où la couleur jaune vert de la lumière réfléchie que nous voyons sur la plante.

En fait il n’existe pas une, mais des chlorophylles qui diffèrent par des détails de leur structure moléculaire et par leurs propriétés d’absorptions du spectre lumineux. (Figure 3) Il existe dans les plantes d’autres pigments non chlorophylliens intervenant dans la capture de l’énergie lumineuse, en particulier les caroténoïdes qui donnent leur couleur aux algues brunes et aux feuilles des arbres en automne. Les molécules de pigment sont incorporées au sein d’une protéine membranaire antennaire chargée de capter les photons. (Figure 4)

 

b)    Le transfert de l’excitation

 

Quand un pigment capte un photon, il entre dans un état excité. Cette excitation est transmise de pigment à pigment pour arriver à un point d’utilisation. (Figure 5) Les protéines antennaires sont structurées en  antennes collectrices, qui canalisent l’énergie lumineuse vers un centre réactionnel où l’énergie lumineuse  sera convertie en énergie chimique.

Il existe dans la membrane des thylakoïdes, deux types de centres réactionnels structurés en antenne collectrice appelés photosystème I et II.

 

                                                                      2.      Utilisation de l’énergie lumineuse

 

                                     a)     La photolyse de l’eau

 

 

Dans les photosystèmes, l’énergie d’excitation (*) collectée est utilisée pour arracher un électron qui est transporté à travers la membrane par des molécules acceptrices  d’électrons jusqu’à un état stable. Le système réalise ainsi une photopile biologique.        P*Aà P+ + A-                 où P représente une protéine piège du photosystème et A une molécule acceptrice d’électrons. 

Dans la membrane du thylakoïde, les deux photosystèmes I et II sont branchés en série.

La photolyse de l’eau est l’élément essentiel de la phase photochimique.

Le système crée un pôle positif au niveau de la partie interne de la membrane, ce qui permet d’oxyder l’eau en réalisant son électrolyse et d’entraîner un dégagement d’oxygène.

 

                                     b)    Transformation en énergie chimique

 

 

Les protons libérés par la photolyse de l’eau dans les thylakoïdes créent un gradient de protons de part et d’autre de la membrane. Le transfert des protons à travers la membrane est utilisé pour  engendrer  la formation d’ATP.

Par ailleurs la circulation des électrons à travers la membrane aboutit également à l’élaboration d’ATP. (Figure 6)

 Au pôle négatif, une molécule appelée ferrédoxine va attraper un électron et l’utiliser pour la fabrication de NADPH à partir de NADP+.

Ces molécules énergétiques sont utilisées dans la phase suivante pour la réduction du CO2 et la fabrication de glucides. (Figure 7)

 

Figure 4 : Modélisation d’une protéine antenne collectrice (A) à l’échelle moléculaire

En vert et jaune : Sous unités protéiques

En gris et orange : molécules de pigments

 

 

Figure 5 : Antenne collectrice

 

 

 

 

Figure 6 : Le transfert d’électrons

 

 

Figure 7 : Photosystème I et II

 

 

C)  La phase de production de matière organique

 

L’assimilation du dioxyde de carbone dans le but de former des glucides met en jeu un ensemble de réactions chimiques qui se déroule dans le stroma des chloroplastes, à l’extérieur des thylakoïdes (Figure 2).

L’Américain Melvin Calvin a montré que la synthèse de glucides fait intervenir un cycle de réactions catalysé par treize enzymes. La plus célèbre est la Rubisco (pour ribulose 1,5 bisphosphate carboxylase / oxygénase). Son rôle est crucial : elle assure la fixation du CO2, dont l’atome de carbone est intégré aux glucides en formation. (Figure 8)

Le cycle consomme de l'ATP comme source d'énergie et utilise du NADPH + H+ qui procure des électrons riches en énergie et des protons à l'une des molécules du cycle de Calvin.

Le glucide produit directement par le cycle de Calvin n'est pas du glucose mais un monosaccharide à trois atomes de carbone appelé phosphoglycéraldéhyde (PGAL). Pour en synthétiser une mole, le cycle doit fixer trois moles de dioxyde de carbone, donc se dérouler trois fois. Le cycle de Calvin consomme 9 moles d'ATP et 6 moles de NADPH + H+ par mole de PGAL synthétisée.

Le PGAL issu du cycle de Calvin devient la matière première de voies métaboliques qui synthétisent d'autres composés organiques, dont différents glucides.

Figure 8 : Le cycle de Calvin

Conclusion :

 

Les énergies non renouvelables fossiles que nous utilisons (charbon, gaz et pétrole)  ont été générées par la photosynthèse il y a des millions d’années.

Aujourd’hui une partie des énergies renouvelables sont obtenues par transformation de la biomasse produite par la photosynthèse. Il s’agit de la production de bois, de la transformation des déchets végétaux en biogaz ainsi que des cultures énergétiques qui peuvent être utilisées pour la fabrication de biocarburants.

Actuellement, l’utilisation de la photosynthèse pour des besoins énergétiques est mineure par rapport à l’énergie lumineuse que nous envoie le Soleil. Ce qui souligne l’intérêt de mieux récupérer l’énergie de la photosynthèse pour la production d’énergie.

 

 

II)      La fabrication des biocarburants

Les biocarburants sont des carburants issus de la biomasse végétale.

Il existe une grande diversité de biocarburants dont les procédés de fabrication et les propriétés varient sensiblement de l’un à l’autre. Les plus connus sont le biodiesel et le bioéthanol. Le biodiesel est obtenu par extraction des huiles du végétal tandis que le bioéthanol est l’aboutissement d’une fermentation. 

En France,  c’est la filière du biodiesel qui semble la plus répandue, mais pour des raisons de cohérence avec notre programme de 1ère S, notre étude sur la fabrication de biocarburant se tournera principalement vers la filière bioéthanol.

L’objectif de la fabrication du bioéthanol  est d’arriver à transformer les sucres contenus dans les plantes en alcool par l’intermédiaire d’une fermentation alcoolique. Cet alcool sera apte à remplacer l’essence dans les moteurs.

         Nous étudierons tout d’abord la transformation de la matière végétale en sucre, puis en alcool pour ensuite nous tourner vers son utilisation comme carburant.

   

A)  Transformation de matière végétale en sucre, puis en alcool

 

                                                                      1. Du végétal à un sucre « fermentescible»

 

    Il existe à ce jour trois méthodes pour transformer le végétal en glucose. Les deux premières méthodes sont déjà employées industriellement alors que la troisième est pour le moment à l’état expérimental. (Figure 1)

Ø           La première, utilise les plantes sucrières (canne à sucre et betterave sucrière) qui contiennent un sucre simple comme par exemple du saccharose et sont donc directement utilisable pour la fermentation. (Figure 2)

Ø           La seconde, utilise les matières amylacées telles que les graines et les réserves des plantes. Après avoir subi une hydrolyse enzymatique, le glucose apparaît. (Figure 3)

Ø           La troisième utilise la totalité des plantes ce qui permet d’éviter le plus de pertes possible. Les végétaux réduits en bouillie sont hydrolysés par des champignons microscopiques, qui transforment la cellulose en glucose. (Figure 4)

Figure 1 :

 

a)     Départ d’une matière sucrière

 

    La transformation des matières sucrières en sucres fermentescibles est assez simple et couramment utilisée. Peu de transformations sont nécessaires et celles-ci sont facilement réalisables. (Figure 2)

    La plante est tout d’abord pressée pour extraire le jus sucré qu’elle contient. On chauffe ensuite le jus et on le laisse décanter afin d’extraire le sucre des cellules et d’éliminer les déchets.

    Puis on effectue une concentration par évaporation pour récupérer le jus de sucre et le saccharose.

Figure 2 :

 

 

b)     Départ d’une matière amylacée

    L’obtention de sucres à partir de matières amylacées s’effectue en deux étapes. La première consiste à extraire l’amidon des végétaux amylacés, la seconde est la transformation de cette solution en sucres fermentescibles.

Lors de la première étape, une distinction est faite selon que l’on parte des graines ou des réserves de la plante. On appelle respectivement mouture sèche et mouture humide les broyats de ces deux différentes approches.

(Figure 3)                    

Pour obtenir une solution d’amidon en partant d’une mouture sèche, on rajoute de l’eau et on mélange. Cette solution est appelée maische.

En partant de mouture humide, il suffit de rajouter de l’eau, d’extraire les résidus pour obtenir la solution d’amidon.

Figure 3 :

    La seconde étape utilise les différentes solutions amylacées obtenues lors de la première partie. Des réactions enzymatiques permettent de transformer l’amidon en glucose (figure 4) : on utilise pour cela une enzyme nommée α-amylase dont les conditions optimales d’utilisation correspondent à une température de 100°C  et un PH de 6.  On liquéfie la solution tout en la maintenant à des températures avoisinant les 80-90°C.

On obtient donc un polymère de glucose : la dextrine.

L’ajout d’une nouvelle enzyme, la glucoamylase, agissant avec une efficacité optimale pour 65°C et un PH de 4,5 a pour effet d’obtenir du glucose.

Figure 4 :

 

c)     Départ d’une matière cellulosique

    Il est simple de transformer la cellulose en molécules de sucres fermentescibles par une hydrolyse enzymatique, cependant la cellulose est très difficilement accessible dans les végétaux. En effet la cellulose qui constitue les parois des cellules végétales est combinée avec de l’hémicellulose et de la lignine. (Figure 5)

Cette structure assurant la solidité des végétaux est très difficilement dégradable. Une combinaison d’enzymes succédant à un broyage du végétal est nécessaire pour en extraire la cellulose. (Figure 6)

Une fois cette opération réalisée, il existe de nombreuses enzymes capables de transformer la chaîne cellulosique en glucose comme par exemple la cellulase.

Figure 5 :

Figure 6 :




                     2.      La fermentation alcoolique :

                          la transformation du sucre en alcool

La fermentation alcoolique correspond  à la transformation des sucres en alcool éthylique et en dioxyde de carbone. Elle est utilisée pour la fabrication de toutes les boissons alcooliques ainsi que pour celle des biocarburants.

  Les agents de la fermentation alcoolique sont des levures dont la principale est la levure de bière (Saccharomyces cerevisiae).

 Tout d’abord les cellules sont placées dans un milieu anaérobie, c'est-à-dire sans oxygène. Ainsi ne pouvant plus réaliser une respiration pour obtenir de l’énergie, ces cellules vont chercher à l’obtenir grâce au glucose provenant de l’extérieur. On fournit donc à ces cellules un milieu riche en matière nutritive : glucose ou sucres fermentescibles. Les levures vont donc fabriquer des enzymes à l’intérieur de leur cytoplasme qui vont leur permettre de réaliser  deux réactions enzymatiques aboutissant à la création d’éthanol et de CO2.

Il s’agit pour la première d’une glycolyse qui permet à la cellule d’obtenir de l’énergie sous forme d’ATP ainsi que deux pyruvates. Ceux-ci lors d’une seconde réaction sont transformés en CO2  et en éthanol qui sont évacués de la cellule. (Figure 7)

Figure 7 :

De façon plus générale, on peut dire que la réaction catalysée est :

C6H12O6   ==>   2 C2H5OH + 2 CO2 + H2O + 25,4 kcal

 

a)     La glycolyse

La glycolyse est un mécanisme de régénération de l’ATP qui se déroule en anaérobie, c'est-à-dire en l’absence d’oxygène.

Lors de la réaction, on assiste à :

 

·     des réactions d’oxydo-réduction au cours desquelles un accepteur d’électrons, le coenzyme NAD est réduit :

NAD+ + 2 H+ + 2 e ==> NADH,H+

 

·        ces réactions sont couplées à des synthèses d’ATP, par phosphorylation de l’ADP grâce à l’ion hydrogène phosphate également appelé phosphate inorganique. Il y a formation de quatre molécules d’ATP, mais consommation de deux, soit une formation au total de deux molécules d’ATP :

2 ADP + 2 HPO42− ==>  2 ATP + 2 H2O

La glycolyse se traduit par la réduction de coenzymes, elle s’accompagne de l’oxydation de molécules organiques. On peut dire qu’elle correspond à l’oxydation du glucose en pyruvate de formule CH3-CO-COOH.

 L’équation bilan de la glycolyse est donc :

C6H12O6 + 2 ADP + 2 HPO42− + 2 NAD+ ==>2 CH3-CO-COOH + 2 ATP + 2 (NADH,H+) + 2 H2O

b)     Transformation des pyruvates en éthanol

Pour que la réaction puisse de nouveau avoir lieu, il faut que les deux NADH,H+ retrouvent leur forme initiale de NAD+, pour cela, les deux pyruvates sont transformés en deux molécules de CO2 et en deux molécules d’éthanol : la pyruvate décarboxylase et l'alcool déshydrogénase permettent ces transformations.

La transformation s’effectue en deux temps, tout d’abord avec la rupture du squelette carboné du pyruvate catalysé par la pyruvate décarboxylase:

CH3COCOO- ==>  CH3CHO + CO2

Puis dans un deuxième temps avec une réaction d’oxydo-réduction catalysée quant à elle par l'alcool déshydrogénase utilisant le NAD+ comme coenzyme :

CH3CHO + NADH ==> CH3CH2OH + NAD+

    L’éthanol et le CO2 vont pouvoir ensuite sortir de la cellule et être récupérés.

Le bilan de la dégradation du glucose en éthanol est donc :

Glucose + 2 ADP + 2 HPO42−  ==>  2 éthanol (CH3CH2OH) + 2 CO2 + 2 ATP

La fermentation des différents sucres permet au final d’obtenir un mélange d’eau et d’éthanol dans lequel la concentration en éthanol est assez faible. On réalise donc une distillation suivie d’une déshydratation ce qui permet d’isoler l’éthanol de l’eau et des résidus. (Figure 8)

Pour illustrer ce propos, nous avons réalisé une expérience de fermentation alcoolique qui est présentée dans l’annexe, à la fin de ce dossier.

 

Figure 8 :

B)  Utilisation de l’éthanol comme carburant

 

    Le 7 octobre 2006, nous nous sommes rendus au Mondial de l’automobile. Là, nous avons interrogé un ingénieur de l’entreprise Renault travaillant sur les moteurs utilisant le bioéthanol comme carburant.

Il nous a expliqué qu’il suffisait pour utiliser l’éthanol comme carburant de l’incorporer dans de l’essence traditionnelle.

Le taux d’incorporation varie en fonction de différents paramètres liés à la température et à l’humidité de l’air. C’est pour ces raisons qu’en France, le bioéthanol est distribué sous forme d’E85 (85% d’éthanol) convenant aux moteurs adaptés.

L’éthanol peut être également utilisé, comme le font les pétroliers en mélange avec de l’isobutylène, un dérivé du pétrole pour donner l’ETBE (éthyl-tertio butyl-éther) composé de 47% de bioéthanol et de 53% d’isobutylène ainsi cela leur permet d’utiliser les déchets issus du pétrole.

 

Conclusion :

Le principe des biocarburants est innovant car il permet d’utiliser les plantes qui sont issues de la photosynthèse. Ainsi on peut considérer les biocarburants comme un produit dérivé de la photosynthèse et donc par extension comme une énergie solaire.

Vers la seconde partie

Vers la troisième partie