Analyse et optimisation du cycle de vie des procédés de transformation de la biomasse résiduelle en produits destinés à l'alimentation (humaine et animale), dans la perspective d'élaboration d'une stratégie nationale de bioéconomie durable.

par Ugo Javourez

Projet de thèse en Génie des Procédés et de l'Environnement

Sous la direction de Lorie Hamelin et de Ligia Barna.

Thèses en préparation à Toulouse, INSA , dans le cadre de École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés , en partenariat avec TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering (laboratoire) et de SOPHYE - Séparations, oxydation et procédés hybrides pour l'Environnement (equipe de recherche) depuis le 28-02-2020 .


  • Résumé

    Ce projet de thèse vise à étudier les technologies existantes et émergentes de la bioéconomie (i.e liée à la biomasse) par une approche ACV intégrale (externalités, process, bilans d'énergie et de matières...), afin de proposer les plus adéquates dans les scénarios de transition de la France vers une économie zéro carbone d'origine fossile à horizon 2050. Appliquée à la plateforme “Nutrition alimentaire et animale”, cette recherche identifiera dans un premier temps les technologies permettant de transformer la biomasse résiduelle en protéines, fibres, et autres produits pour la consommation humaine et animale (que l'on appellera par la suite “bioraffinerie”) et rendra compte de leurs contextes et enjeux (techniques, sociétaux). Les technologies les plus prometteuses seront analysées par une approche ACV dressant les bilans de matière, d'énergie, et particulièrement des substances telles que le carbone, l'azote et le phosphore. Ensuite, cet inventaire sera traduit en équations régissant le cycle de vie de la-dite technologie, afin de facilement modéliser les produits et externalités en fonction des données d'entrée. L'influence des paramètres d'opération de la bioraffinerie (température, pression…) sur ses performances et impacts , sera documentée. Ce dernier point amènera, lorsque nécessaire, à l'accompagnement des technologies émergentes encore sous forme de prototype, à un niveau de développement industriel prêt à l'opération. La dernière phase consistera à répartir les différentes sources de biomasse (déjà identifiées géographiquement en France) sur les plateformes sélectionnées d'approvisionnement en produits alimentaires (bioraffineries documentées précédemment). Cette élaboration de scénarios sera réalisée en prenant en compte la demande en services et produits (alimentaires ou non) prévue sur l'horizon 2020-2050 et issue du travail d'une autre thèse au sein du projet Cambioscop. L'objectif final est de découpler au mieux la production de nourriture avec le besoin en terres arables, et d'identifier les solutions permettant de limiter les impacts environnementaux (changement climatique, eutrophisation, acidification, émissions de particules…) de la transition vers une économie bas-carbone. La méthodologie ACV couplée à l'écodesign et l'optimisation multi-critère permettent d'anticiper les externalités d'un projet et ses conséquences à priori imprévues avant que les investissements ne soient pris.

  • Titre traduit

    Transforming residual biomass into quality food and feed products towards a sustainable national bioeconomy strategy – a life cycle optimization platform


  • Résumé

    The Phd position is part of the Cambioscop 2018-2023 project awarded in 2017 to Mrs. Lorie Hamelin. Its objective is to propose sustainable strategies for shifting towards low fossil carbon use in France, designing tailored, cost- and environmentally-efficient strategies for the development of France's bioeconomy by 2050. Though the energy sector can be decarbonized, non-fossil carbon sources will still be needed for the chemical, material and food sectors. In this transition, one key source of carbon stems from residual biomass resources (agricultural residues, forest residues, organic waste, etc.). Yet, there is a scientific high agreement on a maximal available global biomass potential. By inducing additional demands for biomass resources, there is a potential for increasing the pressure on constrained arable land and freshwater resources, among others. On the other hand, the urgency to stabilize the global climate calls for solutions to postpone as far as possible the release of climate forcers to the atmosphere, and even to induce negative emissions, for which circular- and bioeconomy are key. Thereby, the major impact of the project is to uncover the limits of bioeconomy and guide research and investments towards the most promising technologies, supply-chains and business models for France. In this context, the thesis will develop the Cambioscop's food & feed platform. The PhD research will aim at developing state-of-the-art life cycle inventories of bioeconomy's technologies for producing food and feed ingredients from residual biomass, and at studying a variety of modular combinations of « biomass-to-targeted product(s) » supply-chains. The vision is to capture unforseen consequences before investments are made. The first part of the thesis project is to identify technologies which convert residual biomass into proteins, fiber and other products for human and animal consumption (generically referred to as 'biorefineries' herein), and uncover the challenges (societal, technical) related to these. Then, the life cycle inventory of the most promising technologies will be elaborated, not only in terms of input and output products / co-product balances, but also in terms of energy balance and substance balance (carbon, nitrogen, phosphorus, particularly) The inventory produced will be translated into generic equations, so that the life cycle can be easily modelled according to the chemical and biochemical composition of the inputs. In parallel, the influence of operating parameters of biorefinery technologies (e.g. temperature, pressure) on the output products quality and environmental performance of the system will be documented. This could lead, when necessary, to the proposition of an upscaling of low TRL (technology readiness level) biorefinery technologies towards and industrial operation. Ultimately, the PhD project will propose how to allocate the different residual biomasses (previously spatially quantified) available in France to the various technologies documented, for food and feed supply. This will be done taking into account the demands for products and services (food and non-food) 2020-2050, identified by a PhD project underway in another part of the Cambioscop project. The vision is to decouple as much as possible the production of food & feed from the need for arable land, and to identify solutions allowing to limit all the environmental impacts (climate change, eutrophication, acidification, particles, etc.) of the transition to a low fossil carbon economy. The methodological tools to be used in the project will be at the interface between consequential life cycle analysis, ecodesign (use of process simulation software), and multi-criteria optimization.