ARP Vega, sous atelier A. Ingénierie reverse : des besoins énergétiques et en synthons aux structures et espèces végétales. X.

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1 ARP Vega, sous atelier A Ingénierie reverse : des besoins énergétiques et en synthons aux structures et espèces végétales X. Montagne

2 ARP Vega, sous Atelier A 5 taches : T1 : Explicitation des attentes et des besoins énergétiques, en synthons et en biomatériaux T2 : Identification des structures moléculaires correspondantes dans le vivant T3 : Choix de l'origine biologique : biomasse végétale et/ou biomasse microbienne T4 : Identification des besoins en C et en N pour les bioconversions T5 : Identification des végétaux où des structures intéressantes sont présentes

3 Le déroulé 5 séminaires : 5 animateurs assistés d' A. Kammoun et des représentants de la cellule prospective de l'inra Transmission d'un document martyr 8 jours avant la date de l'atelier (document v1) Chaque séminaire est redéployé en sous taches choisies en fonction des axes de travail identifiés Préparation de contributions par chaque animateur de sous tache et envoi à l'animateur qui compile/organise pour faire une version martyr V2 qui est soumise aux groupes Clôture de chaque séminaire par un échange avec la cellule prospective INRA

4 Le déroulé (2) 5 animateurs : X. Montagne, P. Colonna, D. Thomas / S. Octave, G. Goma, JF. Morot-Gaudry Environ 80 experts mobilisés avant pendant après Une grande qualité d'échange Retour et synthèse (en cours)

5 De la tâche 1 à la tâche 5 Quelle approche? Partir des besoins (industries, société) pour remonter aux espèces végétales valorisables soit "directement" soit au travers de différents procédés Rentrer dans une démarche prospective via une approche itérative structurée

6 Tâche 1 : Explicitation des attentes et des besoins énergétiques, en synthons et en biomatériaux Rédacteurs : X Montagne, S Caillol, P Colonna mars 2009

7 T1 : présentation Substituer le pilotage actuel par l offre biomasse par un pilotage lié aux besoins et aux attentes 3 axes: Application aux besoins énergétiques Application aux synthons Application aux biomatériaux

8 T1 : volet énergie Applications transport

9 T1 : produits / utilisation

10 T1 : biomatériaux 4 appellations à recommander : Polymères bioressourcés ou agroressourcés Polymères biodégradables Polymères biocompatibles Polymères bioassimilables 2 objectifs Remplacer les synthons ex-fossiles par des synthons issus de la biomasse Supprimer certaines substances toxiques (formol, debisphenol

11 T1 : biomatériaux Priorité : trouver des alternatives fondées sur des ressources renouvelables pour : Les résines thermodurcissables : résines aromatiques époxy, formophénols Les résines thermoplastiques : polyoléfines, PU, polyamides, PVC, polyesters, PTFE, silicones Les composites : fibres ou matrices utilisant les résines cidessus

12 T1 : biomatériaux Propriétés essentielles Recyclabilité Biodégradabilité Tenue thermique (im)perméabilité aux gaz (en particulier CO2, CH4 ) Nouvelles propriétés / mimétisme végétal (conserver des propriétés intéressante du végétal / hydrophobie )

13 Tâche 2 : Identification des structures moléculaires correspondantes dans le vivant Rédacteur : P Colonna mars 2008

14 T2 : présentation Les molécules intéressantes peuvent être trouvées dans le vivant microbien ou végétal Par extraction directe +/- purification Par des procédés chimiques simples Ce peuvent être des fins de voie ou des intermédiaires métaboliques Structures carbonées (CHO), soufrées ou azotées Approche par la fonction plutôt que par la chimie

15 T2 : Filière lignocellulosique Structures pouvant être utilisées en l état Structures considérées comme sources d entités chimiques nécessitant => fractionnement raisonné de parois => catalyseurs biologiques ou chimiques

16 T2: Filière lignocellulosique Entités chimiques Lignines Hémicelluloses et pectines Celluloses Intermédiaires chimiques obtenus à partir d acides gras Triglycérides Autres structures type acyl glycérols Lipides complexes (esters, hétéro atomes )

17 T2: Filière lignocellulosique Etude des familles chimiques Lignines Hémicelluloses, pectines et celluloses Intermédiaires chimiques obtenus à partir d acides gras Triglycérides Autres structures type acyl glycérols Lipides complexes (esters, hétéro atomes ) Etude du bois matériau et des fibres végétales Etude des métabolites secondaires (extraits )

18 Tâche 3 : Choix de l origine biologique : biomasse végétale et / ou biomasse microbienne Rédacteur : Daniel Thomas mars 2009

19 T3 : présentation Des entités biologiques cibles sont identifiées dans la biomasse végétale ou bactérienne, Solutions biotechnologiques pour les produire? Micro-organismes dédiés naturels ou génétiquement modifiés Travail sur la biosynthèse

20 T3 : Adaptation de la plante Lipides Plantes «classiques» Travail sur la teneur en huile (besoin d une approche scientifique globale) ou synthons proches des entités des carburants fossiles (approche complexe) Plantes et organismes alternatifs (à plus long terme) Lignocellulose Biorafineries de 2nde génération Travaux sur fibres végétales (chanvre, lin )

21 Sucres T3 : Adaptation de la plante Exemple : poylmères glucidiques des algues Métabolites secondaires des plantes => extraits Molécules diverses dont certaines utilisées par les industries pharmaceutiques, cosmétiques Travail par sélection génétique pour améliorer la production des substances recherchées Fraction enrichies plutôt que molécules pures

22 T3 : prétraitements Conventionnels Non conventionnels / lignocellulosique (hydrolyse enzymatique => sucres monomères) Fractionner solubiliser, hydrolyser et séparer cellulose et hydrocellulose de la lignine => explosion à la vapeur => traitement par liquides ioniques, par CO2 supercritique, par les solvants

23 T3 : prétraitements / microorganismes Par des écosystèmes microbiens Exploitation des capacités enzymatiques bactériennes Possibilité de production de synthons et de molécules énergétiques A développer, (piste du bio mimétisme?) Par génie biochimique Traitement en bio réacteurs Par génie métabolique Travail avec des micro-organismes génétiquement modifiés en milieu confiné => modification de levures

24 Tâche 4 : Identification des besoins en C et en N pour les bioconversions mars 2009

25 Besoins en T4 : présentation Matières premières de qualité industrielle Procédés performants Bioconversion Transformation par biocatalyse Biocatalyse : recours à des microorganismes (tous stades possibles, y compris enzymes) Impact des prétraitements Déstructuration chimique, biologique et enzymatique des systèmes végétaux

26 T4 : Procédés de biotransformation Nombreux et variés Enzymes / hémicelluloses Voies biomimétiques «digestifs» acidogènes ou méthanogènes Déconstruction drastique en «Syn gas» (H2, CO, CO2) Utilisée pour les biocarburants Valorisation des fibres Déconstruction de protéines de grains ou graines Exploitation des lipides Exploitation des polysaccharides des algues Exploitations de produits auxiliaires

27 T4 : Solutions innovantes Intégrer dans un même procédé l ensemble des technologies clés de biotransformation Optimisation de la biocatalyse par Création ou sélection d enzymes aux performances optimisées Développement de souches hyperproductrices d enzymes Approche génétique ou approche combinatoire Exploration de la biodiversité naturelle pour identifier des systèmes non encore exploités Développer la biologie synthétique

28 Tâche 5 : Identification des végétaux où des structures intéressantes sont présentes mars 2009

29 T5 : présentation Faible concordance entre molécules du carbone fossile et structures du vivant Tenir compte de : La capacité de mobilisation de la biomasse (facteurs socioéconomiques et écologiques) La capacité d obtention technologique des matériaux ciblés La stabilité qualitative et quantitative de ces matériaux Les verrous liés à la propriété industrielle

30 T5 : Production de fibres Plantes entières Mais fibre, Sorgo, Canne à sucre Fibres à forte valeur ajoutée Lin, Chanvre, Ramie

31 T5 : Lignines NB : Nécessité de travaux/ les lignines Exploitation des lignines encore à déterminer pour l instant essentiellement combustibles Plantes pauvres en lignine (++ pour beaucoup d usages industriels, papier, bioéthanol) Maïs, Sorgho, Miscathus, canne à sucre, peuplier, saule

32 T5 : Celluloses, pectines et hémicelluloses Cellulose Ramie Hémicellulose Espèces végétales y compris les algues Rafle de maïs, canne à sucre, algues, lin, chanvre, ramie

33 T5 : Amidon Mécanisme de biosynthèse Encore mal connu Très performant car apport carboné très condensé et très métabolisable Sources Pomme de terre (+ plantes à tubercules) blé, maïs (+ céréales)

34 T5 : Protéines Sources court terme Concentrés, isolés, tourteaux, gluten À partir de céréales (blé, maïs), protéagineux (pois), oléoprotéagineux (soja), oléagineux (colza, tournesol) Sources long terme Recherche de protéines spécifiques (albumines, globulines, prolamines ) Travail génétique pour obtenir des protéines déterminées et augmenter le rendement

35 T5 : Métabolites secondaires Terpènes, latex, encres, colorants, huiles essentielles, phytotoxines Nombreuses substances Souvent à forte valeur ajoutée

36 T5 : Lipides Nombreuses utilisation industrielles Intérêt de la richesse en acide oléïque Un intérêt tout particulier devrait être porté aux algues Riches en lipides variés, selon les espèces Certaines sont riches en omega-3 d autres en lipides à chaîne courte voire très courte, en triglycérides

37 T5 : Lipides Sources de biocarburants Colza, tournesol oléïque, soja Jatropha zones arides et à forte salinité Palmier, arachide, caméline, cuphéa Sources de biolubrifiants Jojoba, colza, crambe Sources de tensioactifs Cuphéa Sources de biocomposites Ricin, lin, colza érucique, coriandre, véronia, euphorbes, graminées, chêne liège

38 T5 : Hydrogène Sources Peut être produit par certaines algues ou cyanobactéries Besoins de travaux sur Les réserves carbonées et leur mobilisation La régulation des voies productrices d H2 Les transferts d électrons associés L optimisation des souches productrices

39 De la tâche 1 à la tâche 5 Conclusions et perspectives Quelles plantes envisageables? des propositions encourageantes : bien faire émerger les axes prospectifs distinguer les productions de masse pour des usages industriels se méfier des actions de domestication de plantes sauvages aller vers des productions aux caractéristiques recherchées par l'industrie facilement récoltables et aux rendements stables réduire l'hétérogénéité intra-spécifique et intra-génotypique

40 Merci aux équipes dont les rapports d activité ont permis la réalisation de cette synthèse mars 2009