Cette étude évalue des techniques d'extraction des lipides de microalgues, alternatives aux techniques conventionnelles par solvant. Les techniques disponibles d'extraction aqueuse ont été revues et deux d'entre elles ayant la meilleure applicabilité industrielle ont été testés, soit l'homogénéisation à haute pression (HHP) et l'homogénéisation à billes (HB). L'efficacité de ces techniques est évaluée en faisant varier leur principaux paramètres, en combinant la technique à la digestion enzymatique et en variant l'espèce de microalgues (Nannochloropsis oculata, Pavlova lutheri et Chlorella sp.). Des pourcentage de bris cellulaire appréciable de plus de 80 % sont obtenus, mais la récupération est en dessous de 10%. Les problématiques liées à cette étape de récupération sont discutées. L'identification des défis à relever au niveau de l'extraction des lipides et de leur récupération permet de faire un pas vers le développement d'une technologie de production de biodiésel microalgal plus abordable.

L'objectif du projet de recherche est d'identifier les biocarburants les plus prometteurs pour une utilisation dans les turbines à gaz actuelles réduisant ainsi les émissions de gaz à effet de serre. Cette étude examinera le fonctionnement d’une chambre de combustion tubulaire lors de tests d’opérabilités (démarrage à froid et rallumage en haute altitude) en déterminant les ratios carburant-air minimum et maximum. Pour évaluer leur rendement de combustion par rapport à ces conditions d’opérabilités, les enveloppes d’allumages sont obtenues pour sept nouveaux mélanges de biocarburants obtenus à partir de la caméline ou du jatropha mélangé avec du Jet A-1 et diverses teneurs en aromatiques comparées au carburant de référence soit le Jet A-1. Ces nouveaux mélanges de biocarburants ont été sélectionnés en fonction de la durabilité de l’approvisionnement et du potentiel de réduction des émissions. En général, le projet a démontré que les mélanges de biocarburants de deuxième génération sont des carburants alternatifs viables au pétrole actuel apportant également des avantages environnementaux et pouvant être produits en grandes quantités sans impact majeur sur la chaîne d'approvisionnement alimentaire. / The objective of the proposed research is to identify the most promising drop-in biofuels for use in aircraft gas turbines and their potential to reduce greenhouse gases. This investigation reviews proper engine operability (cold start and altitude relight) and allows determining the minimum and maximum fuel-air ratios for these conditions. To evaluate their relative combustion performance, cold start and altitude relight maps are obtained for seven new biofuel blends obtained from camelina or jatropha mixed with Jet A-1 fuel with various aromatic contents and compared to Jet A-1 as the baseline fuel. These new biofuel blends were selected based on sustainability of supply and potential for reduction of emissions. In general, the project demonstrated that at least second generation biofuel blends are viable alternative fuels to the current petroleum based that can also bring environmental benefits and can be producible in large quantities without impacting the food supply chain.

Le potentiel de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) est l’argument principal motivant l’implantation de nouvelles technologies bioénergétiques utilisant la biomasse forestière. Les bois dégradés sont abondants dans les peuplements feuillus et mixtes à feuillus durs du Québec. Ces bois ne sont pas récoltés en raison de la qualité de leur fibre qui ne satisfait pas les critères de l’industrie forestière conventionnelle. Notre étude avait comme objectif d’évaluer le potentiel de conversion biochimique et thermochimique des bois feuillus dégradés. Pour ce faire, nous avons évalué l’impact de la dégradation du bois sur ses propriétés chimiques et physiques, puis nous avons conduit deux tests de conversion : i) l’analyse du rendement de digestibilité enzymatique pour la voie biochimique; ii) l’évaluation de la stabilité et de l’efficacité de la combustion pour la conversion thermochimique. Une analyse d’ADN nous a permis de déterminer, pour chacun des échantillons, la proportion de l’abondance relative des champignons de pourriture blanche par rapport à l’ensemble des sa protrophes du bois. Les propriétés physiques et chimiques ont réagi de façon différente à l’augmentation du niveau de dégradation. L’ensemble de ces propriétés a cependant été maintenu dans l’intervalle de variations permettant au bois de rester propre à la conversion en bioénergie. Nous avons observé deux tendances selon lesquelles le rendement de digestibilité enzymatique ainsi que la performance de la combustion seraient améliorés par une augmentation de la proportion de pourriture blanche. Les résultats de notre étude démontrent que la matière première dégradée pourrait être utilisée au même titre que la matière première saine pour la conversion bioénergétique.

Dans un contexte de tensions à venir sur la ressource foncière, l'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence des déterminants globaux, que sont la mondialisation et le changement climatique, sur l'agriculture et les changements d'usages des sols. Pour mener cette étude, un nouveau modèle d'usage des sols, appelé ''Nexus Land-Use", est développé afin de permettre une vision cohérente du système socio-biosphérique. Les modèles existants sont d'abord examinés, avec pour objectif d'évaluer leur capacité à estimer les changements indirects d'affectation des terres liés aux biocarburants (CIAT). Les CIAT constituent un symptôme caractéristique de l'influence des déterminants globaux en ce qu'ils résultent des flux internationaux d'échanges. Leur estimation représente un défi pour les modélisateurs car elle nécessite une vision intégrée du système agricole, avec une prise en compte au niveau global des côtés offre et demande du secteur agricole. Il apparaît que malgré des progrès significatifs sur la représentation de l'offre de terres et du secteur de la bioénergie, les modèles existants ne parviennent pas encore à fournir une évaluation robuste des CIAT, du fait notamment d'estimations divergentes des élasticité-prix des rendements agricoles et de la demande alimentaire. Pour répondre au défi posé par la modélisation des déterminants globaux, cette thèse présente le modèle Nexus Land-Use. Fondé sur une représentation des mécanismes d'intensification agricole, à la fois au niveau de la production végétale et animale, ce modèle a pour caractéristiques de combiner au sein d'un seul outil l'économie et la biophysique, et de représenter les effets multi-échelles en intégrant l'hétérogénéité locale dans une architecture globale. La spécificité de ce modèle est également de calculer la rente foncière de manière endogène, ce qui permet, en particulier, de représenter l'effet de la substitution terre-engrais sur les usages des sols, compte tenu de scénarios exogènes de prix des intrants chimiques. A l'aide de ce modèle, l'influence de la mondialisation sur l'agriculture est ensuite étudiée au travers du prisme des régimes alimentaires. A partir de trois scénarios de consommation alimentaire représentatifs, l'analyse démontre l'importance de la convergence des régimes alimentaires comme facteur de tensions sur les usages des sols. Nos résultats révèlent qu'une convergence de l'ensemble du monde sur le régime alimentaire des Etats-Unis d'ici 2050 ne serait pas possible avec les tendances actuelles en matières d'expansion agricole. Les interactions entre le scénario alimentaire et les autres politiques affectant les usages des sols -- soutien aux biocarburants et réduction de la déforestation -- sont aussi mises en lumière, et certaines options permettant de réduire les tensions sur la ressource foncière testées. Dans un dernier chapitre, deux perspectives de développement du modèle sont présentées afin d'analyser la question du changement climatique. Elles concernent en premier lieu le couplage avec Imaclim-R, dont l'objectif est d'intégrer une valeur cohérente de la rente foncière dans le prix agricole et les courbes d'offre de biomasse énergie. Il s'agit également d'inclure dans le Nexus Land-Use les variations de rendement des cultures simulées par le modèle de végétation ORCHIDEE sous un scénario de changement climatique. Sur ce dernier point, les premiers résultats montrent que le changement climatique conduirait à une relocalisation partielle de la production agricole des pays du Sud (Afrique, Amérique Latine) vers les pays du Nord (principalement Canada et Russie).

L’utilisation des microalgues dans les filières bioénergies est une thématique qui connait un développement remarquable ces dernières années. Si dans une perspective d’exploitation de masse, elles permettent de répondre plus favorablement aux contraintes qui pèsent sur l’exploitation des biocarburants de première et de deuxième génération, elles se heurtent également à la question de la demande en éléments nutritifs mais aussi à un bilan énergétique défavorable. En conséquence, il apparait difficile de répondre à une exigence de durabilité attendue pour ce nouveau gisement. Ce travail de thèse s’est intéressé à une solution permettant à la fois de recycler les éléments nutritifs présents dans la biomasse et de fournir de l’énergie au système de production voire de transformation : la digestion anaérobie. Les travaux se sont particulièrement focalisés sur l’intégration de la production de microalgues et de la méthanisation au travers de la conversion énergétique de cette biomasse et de la mobilisation des éléments nutritifs vers la culture à l’échelle du laboratoire et à l’échelle pilote. Après avoir identifié les contraintes associées à la biodégradabilité anaérobie des microalgues et les stratégies d’optimisation, nous avons mis en évidence que le potentiel énergétique est contraint par la qualité propre des cellules et une capacité de résistance à la dégradation biologique. L’application de stratégies d’optimisation de cette étape de conversion via l’utilisation de prétraitement thermique a montré qu’il est possible d’augmenter les rendements de production d’énergie et d’éléments minéraux mobilisables vers la culture. L’utilisation d’un écosystème naturel microalgue-bactérie destiné à la production en milieu ouvert et qui utilise un digestat synthétique comme milieu de culture a révélé le rôle déterminant de la flore bactérienne associée en interaction avec les microalgues. Ces résultats ont été évalués dans un système de production à l’échelle pilote préindustrielle en conditions extérieures, conçu et opéré spécifiquement pour répondre à cette problématique. Les caractéristiques propres du bassin de culture déterminent le comportement hydrodynamique du milieu et le comportement physique et écologique de la population phytoplanctonique mobilisée. L’étude de la dynamique des communautés microbiennes, eucaryotes et procaryotes, confirme le potentiel de résilience et de production d’un écosystème complexe soumis aux contraintes de son environnement. Les résultats de ces travaux ouvrent des perspectives de gestion et d’optimisation des procédés intégrant l’algoculture et la méthanisation qui peuvent répondre plus largement à des problématiques environnementales et de production de molécules d’intérêt au-delà des filières énergétiques. / In recent years, there has been an explosion of interest in the use of microalgae as a source of bioenergy. Mass cultivation of microalgae for bioenergy production promises several advantages compared to first and second generation biofuels. However, similar difficulties in terms of nutrient requirements and an unfavourable energy balance are faced. As a consequence, achieving the sustainable levels of microalgal culture required to implement this strategy in the longer term appears problematic. The work presented in this thesis focuses on anaerobic digestion; a solution which allows both recycling of nutrients and supply of energy to the production and downstream processes. In particular, the studies presented here have been directed towards the integration of microalgal culture and methanisation, at both the laboratory and pilot scale. The guiding principle used is conversion of biomass and provision of nutrients to the culture. We first identified the constraints and potential strategies associated with the aerobic biodegradability of microalgae. Next, we demonstrated that the energetic potential of cells is limited by their quality as well as their level of resistance to biological degradation. We have shown that it is possible to optimise the conversion step, increasing energy yields and nutrient mineralisation via a strategy of thermal pretreatment The use of a natural microalgae-bacteria ecosystem which uses a synthetic digestate as culture media, revealed a key role for bacterial flora interacting with microalgae. These results were further tested in a pilot-level production system specifically designed to address these questions. The evidence suggests that the characteristics of the culture pond determine both the hydrodynamic behaviour of the culture and the physical and ecological behaviour of the phytoplanktonic population. A study of the dynamics of the microbial, eukaryotic and prokaryotic communities suggests the presence of a resilient and complex ecosystem, which is influenced by variations in its environment. The results of this work provide opportunities for management and optimisation of processes integrating microalgae cultivation and methanisation beyond bioenergy production, for example liquid wastes treatment and production of high-value byproducts.

La valorisation de la fraction organique des déchets ménagers par un procédé biologique à deux étapes permet la production d’un mélange H2/CH4 comprenant 5 à 20% d’hydrogène appelé plus communément biohythaneLa première étape consiste en un réacteur de fermentation sombre (hydolyse/acidogénèse) où une partie de la matière organique est dégradée en H2 et en molécules simples (acides gras volatils, sucres simples, éthanol...). Les déchets prédigérés provenant du réacteur de fermentation peuvent ensuite être utilisés dans un réacteur de méthanisation afin de finaliser la dégradation de la matière organique pour produire du méthane. Cependant, seule une efficacité optimale de l’étape de fermentation sombre permet au procédé d’être économiquement viable comparé à un méthaniseur simple. Cette thèse a donc pour objectif d’améliorer la compréhension du système de fermentation sombre afin d’optimiser le rendement de conversion en hydrogène et en autres métabolites produits. Les expériences menées en réacteurs batch ont permis de mettre en évidence les limites ainsi que les conditions opératoires optimales influençant le rendement en hydrogène. Il a également été montré que la fermentation sombre possède une grande stabilité et robustesse lors de la recirculation de l’effluent pour des batchs successifs. Enfin, différentes échelles de réacteurs ont été réalisées pour se rapprocher des conditions réalisables à l’échelle industrielle. Cette thèse apporte de nouvelles informations et une compréhension poussée du procédé de fermentation sombre pour à terme, envisager la création d’un procédé industriel à deux étapes pour la production de biohythane à partir de déchets ménagers. / Two-step process producing biologically a mixture of H2/CH4 (5-20 % of H2) so called biohythane can be used for organic fraction of municipal solid waste valorization (OFMSW). The first step consists of a dark fermentation reactor (hydolysis/acidogenesis) which allows a partial degradation of organic matter into H2 and simple molecules (volatile fatty acid, sugar, ethanol…). Then the outlet of the first reactor can be used in a second reactor for methane production ending organic matter degradation. However, only high efficiency of the dark fermentation step allows making this two-step process economically viable compared to a simple anaerobic digestion reactor. The aim of this thesis is to improve the knowledge of the dark fermentation process for optimizing hydrogen and metabolites productions. Experiments were achieved to better understanding the main factors limiting hydrogen production along with the operational conditions that could improve hydrogen yield. This thesis also shows the high stability and robustness of effluent recirculation for consecutive hydrogen batch reactor. Finally, several sizes of reactors were performed for a scale-up of the process in order to reach the real operational conditions in industrial scale. This thesis provides new knowledge of the dark fermentation process in mixed culture for creating an industrial two-step process for biohythane production using municipal solid waste.

Dans le registre des enjeux environnementaux contemporains, les questions énergétiques se classent aisément en tête de liste. Le secteur forestier est appelé à augmenter sa contribution au bilan énergétique québécois dans le répertoire des énergies renouvelables. En effet, le contexte économique actuel, la croissance générale de la demande énergétique, la volonté d'abandonner graduellement les combustibles fossiles et de nombreuses considérations environnementales soutiennent ce constat. La biomasse permet, entre autres, de limiter les émissions de gaz à effet de serre et d'agir comme outil de développement économique régional. Récemment, le gouvernement du Québec, par l'entremise de diverses actions, a mis de l'avant des politiques et des programmes afin de supporter le déploiement de la filière bois-énergie. Or, selon la littérature consultée, il manque actuellement des connaissances et des articulations entre plusieurs aspects de la filière afin d'en assurer le succès. De plus, les mesures potentiellement envisageables visant à stimuler de nouveaux marchés liés à l'utilisation de la biomasse semblent peu développées. En s'appuyant sur des enjeux environnementaux, sociaux et économiques, ce projet de recherche a pour objectif d'identifier et d'articuler les déterminants d'une politique sur l'utilisation de la biomasse forestière à des fins énergétiques afin d'éclairer les décideurs gouvernementaux au Québec. La démarche passe par la détermination des facteurs incitatifs et limitatifs à la mise en oeuvre et au développement du marché des bioénergies au Québec. La démarche appliquée, de type recherche inductive, aborde cinq grandes thématiques soit les facteurs: économiques; techniques; environnementaux; sociaux et d'acceptabilité sociale; ainsi que politiques et institutionnels de la filière. Il s'agit d'une approche exploratoire utilisant des méthodes qualitatives. Elle a permis de construire, à partir du point de vue des acteurs, un état des lieux donnant un panorama de la situation au Québec. Ce panorama sera analysé pour en tirer les grands déterminants à considérer pour guider les politiques dans ce champ d'activités ou pour identifier des domaines nécessitant plus d'investigation.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016 / Dans le cadre de ce projet, deux expériences ont été réalisées à la ferme expérimentale de l’Université Laval à Saint-Augustin-de-Desmaures visant à améliorer l’extraction des sucres solubles de la biomasse du millet perlé sucré et du sorgho sucré pour une éventuelle production de bioéthanol. L’expérience de 2013 a démontré que l’imprégnation de la biomasse hachée lors d’un premier pressage avec du jus déjà extrait n’a pas amélioré le rendement en jus des deux plantes et les taux d’extraction des sucres (fructose, glucose, sucrose et sucres solubles totaux) n’ont pas été améliorés suite à cette imprégnation. Les taux d’extraction des sucres solubles totaux de la biomasse du sorgho sucré et du millet perlé sucré sont de 26,5% et 28%, respectivement. L’expérience de 2014 avait pour objectif de déterminer l’effet de l’imprégnation de la bagasse du millet perlé sucré et du sorgho sucré sur le taux d’extraction des sucres. Les résultats ont démontré que l’extraction des sucres résiduels est meilleure avec l’utilisation de l’eau pour l’imprégnation de la bagasse pour un deuxième pressage qu’avec le recyclage du jus de premier pressage. Cependant, la durée de l’imprégnation de la bagasse n’a aucune influence sur l’extraction de ces sucres. En imprégnant la bagasse avec de l’eau, environ 36% et 47,5% des sucres solubles totaux ont été extraits de la biomasse du sorgho sucré et du millet perlé sucré, respectivement. / Two experiments were conducted at the Université Laval experimental station in Saint-Augustin-de-Desmaures to improve soluble sugars extraction from sweet pearl millet and sweet sorghum biomass for an eventual production of bioethanol. The 2013 experiment revealed that wetting the chopped biomass for a first pressing, with the already extracted juice, did not improve the juice yield of both crops. Also, the sugars (fructose, glucose, sucrose, and total soluble sugars) extraction rates have not been improved. The extraction rate of total soluble sugars from the biomass of sweet sorghum and sweet pearl millet were 26.5% and 28%, respectively. The objective of the 2014 experiment was to determine the effects of wetting sweet pearl millet and sweet sorghum bagasse on sugars extraction rates. Results demonstrated that the use of water is more efficient in extracting residual sugars than recycling the first pressing juice. However, the wetting duration has no effect on the extraction of these residual sugars from the bagasse. When using water for impregnation, about 36% and 47.5% of total soluble sugars were extracted from sweet sorghum and sweet pearl millet biomass, respectively.

Les perturbations naturelles font partie intégrante de l’aménagement des forêts boréales canadiennes. Des débouchés doivent être trouvés pour les quantités importantes de bois provenant d’arbres dégradés ou morts. Une option prometteuse est la bioénergie. Cependant, il est essentiel de regarder la rentabilité de cette filière. Une approche par étude de cas a été réalisée pour évaluer la rentabilité d’une usine de bioénergie qui utilise de la biomasse dégradée, dans la province de Québec (Canada), en s’approvisionnant sur les mêmes territoires que les usines de sciage et de pâte. Les opérations forestières de récolte et transport ont été simulées. La rentabilité d’un scénario témoin, pour lequel seulement la récolte de bois marchand destiné au sciage et à la pâte et qui laisse les arbres trop dégradés intacts, a été comparée à la rentabilité d’un scénario transformant les arbres dégradés en bioénergie, tout en transformant les arbres sains en sciage et pâte. Aussi, l’effet de la répartition des coûts fixes sur un plus grand volume de bois a été évalué. Les bénéfices de la récolte de biomasse pour la bioénergie, en termes de réduction de l’intensité des travaux de préparation de terrain, a aussi été évaluée. Les résultats montrent qu’au prix actuel du marché, dominé par les granules de bois, la récolte de bois morts ou dégradés pour faire de la bioénergie n’est pas aussi rentable que de laisser les arbres debout, non coupés. Le scénario de bioénergie reste rentable lorsque le niveau de dégradation moyen est modéré. Aussi, la répartition des coûts fixes sur un plus grand volume de bois a permis de réaliser des économies de 2.83$C/m3 en moyenne. Finalement, la récolte de biomasse pour la bioénergie a permis de réaliser des économies allant de 0 à 500$/ha, en évitant des coûts de préparation de terrain.

Des essais sur le pressage du millet perlé sucré et du sorgho sucré pour l’extraction de sève pour une production éventuelle de bioéthanol ont été effectués en 2009 et 2010. Les essais préliminaires de l’été 2009 ont démontré l’efficacité de la presse à vis pour l’extraction de sève ainsi qu’une meilleure performance avec l’utilisation d’une biomasse finement hachée. Les essais de 2010 ont été effectués à Sainte-Anne-de-Bellevue (Montréal) et à Saint-Augustin-de-Desmaures (Québec) afin de déterminer l’effet de différentes pressions (35, 45 et 55 psi) et de deux moments de récolte et de pressage (avant-midi et après-midi) sur l’extraction de la sève, la teneur et le rendement en sucres du millet perlé sucré et du sorgho sucré. Les résultats ont démontré que l’extraction de sève et la teneur en sucres sont plus élevées chez le sorgho sucré que chez le millet perlé sucré et qu’une pression entre 45 et 55 psi était optimale pour le taux d’extraction et le rendement en sève alors que la pression n’a aucune influence sur la teneur en sucres. La récolte et le pressage effectués en après-midi ont permis d’obtenir des teneurs plus élevées en sucres qu’en avant-midi à un site sur deux. Ces résultats démontrent que le millet perlé sucré et le sorgho sucré représentent une alternative intéressante pour la production de sève qui pourrait être utilisée pour la production de bioéthanol. / Trials related to the extraction of juice from sweet pearl millet and sweet sorghum for bioethanol production were carried out in 2009 and 2010. In summer of 2009, preliminary investigation resulted in a better performance of a specific screw press along with using finely chopped biomass. Based on these results, experimental studies have been done in summer 2010 with a screw press in Saint-Anne-de-Bellevue (Montreal) and Saint-Augustin-de-Desmaures (Quebec). The effects of various compressive forces (35, 45, and 55 psi) as well as a comparison between biomass harvested and pressed in the morning and in the afternoon have been investigated. Results showed a positive impact of a higher pressure on juice extraction. A compressive force between 45 and 55 psi was found to be optimal for juice extraction. However, the compressive force has no effect on juice sugar concentration. Juice of sweet sorghum has higher sugar concentration than that of sweet pearl millet and was also extracted more easily and in a higher volume. Also, pressing in the afternoon was found to be better in terms of sugar concentration of the extracted juice. The results show that sweet pearl millet and sweet sorghum represent an interesting alternative for bioethanol production.