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De la poubelle à l'assiette: Évaluation de la pertinence environnementale des procédés émergents de valorisation de biomasse résiduelle en aliments.

par Ugo Javourez

Thèse de doctorat en Génie des Procédés et de l'Environnement

Sous la direction de Lorie Hamelin et de Ligia Tiruta-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) .


  • Résumé

    Cette thèse vise à documenter les performances environnementales des techniques émergentes de transformation de la biomasse résiduelle (déchets, résidus et co-produits organiques) en ingrédients pour l'alimentation humaine et animale. L'enjeu est de limiter les impacts environnementaux associés aux systèmes alimentaires, en particulier en découplant au mieux la production de nourriture aux besoins en terres arables. Devant l'imbrication des problématiques liées aux systèmes alimentaires, au déploiement de la bioéconomie et à la disponibilité des bioressources, cette recherche propose un modèle intégré basé sur l'Analyse Cycle de Vie (ACV) qui capture les implications environnementales de différents choix de valorisation de bioressources, dont les usages compétitifs sont amenés à croître. En croisant les approches de modélisation des bioprocédés, d'analyse de sensibilité et d'ACV prospectifs, cette recherche dévoile les principaux facteurs conditionnant les bénéfices environnementaux des filières de transformations dites « de la poubelle à l'assiette ». Cette dissertation est organisée en quatre chapitres. Le Chapitre 1 présente un état des lieux des filières existantes et émergentes de transformation de biomasse résiduelle en aliments. Près de 950 articles issus de la littérature scientifique et industrielle ont été analysés pour y dégager des grandes tendances de stratégies de conversion, qui peuvent être résumées en huit familles. Ensuite, le Chapitre 2 explore, sur un cas d'étude, les nombreux composants nécessaires à la construction d'un modèle ACV harmonisé de comparaison de différentes voies de valorisation de bioressources. Le potentiel environnemental de la fermentation solide, ici exploitée pour améliorer les qualités nutritionnelles de co-produits agroalimentaires, est quantifié et comparé à des procédés de valorisation conventionnels. L'analyse détaillée montre que les résultats dépendent aussi bien des futures performances technologiques, que du contexte dans lequel ces filières seront implémentées. Ainsi, le Chapitre 3 décrit le modèle ACV permettant la comparaison de 27 filières de valorisation (dont 15 filières émergentes « de la poubelle à l'assiette »), applicables à l'ensemble des bioressources résiduelles présente en France. Le modèle ACV intègre 293 paramètres régissant la performance des chaines de conversion, et est construit afin que le contexte d'implémentation des filières, représenté par les marchés de l'énergie, des fertilisants, et des denrées alimentaires, soit pilotable. Ce chapitre détaille les résultats ACV individuels de chaque filières, calculés avec pour un contexte d'implémentation et des performances technologiques de référence, sur un panel représentatif de 11 intrants. Finalement, le Chapitre 4 propose une analyse globale du modèle ACV. Afin d'estimer et hiérarchiser les impacts environnementaux des différentes filières malgré l'incertitude sur l'évolution future de leurs performances technologiques, une analyse couplée de sensibilité et d'incertitude basée sur la méthode de Morris a été développée. En plus d'identifier la gamme de variation des résultats, cette méthode à échantillons appariés permet de révéler, lorsqu'elles existent, les conditions nécessaires pour qu'une filière s'impose comme la plus vertueuse pour l'environnement. Cette méthode, appliquée à plusieurs contextes de déploiement, offre un panorama nuancé de l'aptitude des filières émergentes « de la poubelle à l'assiette » à répondre aux enjeux environnementaux. Ensemble, ces chapitres enrichissent le corpus de connaissances et d'outils utiles aux concepteurs et promoteurs de projets de réutilisation des bioressources. Néanmoins, afin d'accompagner le processus d'élaboration de stratégies bioéconomiques, ce modèle doit être complété par la prise en compte de la demande en biens et services, ainsi que de la disponibilité des bioressources.

  • Titre traduit

    Transforming residual biomass into food and feed products: Towards a life cycle optimization platform


  • Résumé

    This dissertation aims to document the environmental relevance of “waste-to-nutrition” valorization strategies and assess their adequation with the transition towards sustainable bioeconomies. These consist in implementing technological pathways to transform unused or underused organic streams into food and feed ingredients, therefore enhancing the decoupling of food production from the demand on arable lands, among other benefits. Yet, interrelations between food system, bioeconomy and bioresource availability call for an integrated approach to support decision on resource allocation towards different valorization options, and capture trade-offs. Through a combination of structured literature review, harmonized life cycle inventory modeling and global sensitivity analysis, this work unravels the conditions under which the deployment of waste-to-nutrition pathways can mitigate climate change, eutrophication, land and water use environmental impacts. This thesis is built around four chapters. Chapter 1 provides a comprehensive synthesis of existing and emerging waste-to-nutrition pathways, based on 950 records from scientific and industrial literature bodies. Each pathway is described as a sequence of unit operations workflow, enabling to uncover common conversion patterns and building blocks. Eight generic waste-to-nutrition families are defined, and guidelines to capture and compare their environmental performances are provided. Chapter 2 proposes, based on an explorative case study, to uncover the main modeling components and harmonization requirements to compare the environmental performances of various bioresource management options. In this chapter, the nutritional upgrading of agrifood co-products through solid fermentation towards food and feed markets is compared against two conventional valorization options. This is done through process-based life cycle analysis (LCA) modeling, allowing to screen large sets of inputs and process conditions. On top of detailing the case study, this chapter illustrates the panel of different factors shaping the LCA results of bioresource valorization options. Then, Chapter 3 details the unified LCA model built to assess 27 different management options (including 15 emerging waste-to-nutrition pathways) for the whole scope of residual biomass streams available in France. The LCA model is not only fed by 293 technology parameters, but also by controllable food, feed, fertilizer and energy markets contexts within which studied pathways would deploy. This chapter further analyses the results of the LCA model at the level of each pathway, when applied to a qualified panel of 11 individual residual biomass streams, within fixed baseline deployment context and set of technology performances. Finally, Chapter 4 proposes to comprehensively analyze the LCA model as a whole. To rank the valorization pathways under uncertain future technology performances, a stochastic paired-sample simulation, adapted from the Morris method, is implemented and described. The paired simulation additionally allows to uncover sets of necessary conditions required by a pathway to outperform the others. The simulations are repeated for different deployment contexts, to provide a global and qualified picture of the environmental impacts' mitigation potential of waste-to-nutrition strategies. Altogether, the chapters of this dissertation enrich the body of knowledge and the toolbox used by waste recovery project promotors and technology developers, by proposing a transparent and expandable LCA model accompanied by its detailed performances when applied to the case of waste-to-nutrition pathways. Additional works are nevertheless required for this approach to support bioeconomy strategies planning, for example by integrating bioresource availability and the demand for products and services in a broader multi-objective LCA optimization model.