1er colloque Energie. CNRS & Académie des Technologies : La Recherche au cœur de la transition Energétique

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Valérie Morel
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Vers des solutions durables de productions microbiennes de molécules lipidiques à usages

1 1er colloque Energie CNRS & Académie des Technologies : La Recherche au cœur de la transition Energétique Biocarburants de 3ème génération : fermentation et photosynthèse Vers des solutions durables de productions microbiennes de molécules lipidiques à usages énergétiques et chimiques LISBP UMR INSA CNRS 5504 INRA 792 C. Molina-Jouve GEPEA UMR CNRS 6144 J. Legrand

chimiques modulation des profils en fonction de l origine dépendance climatique et géographique

2 Contexte Les lipides ou acides gras acides carboxyliques de longueur de chaine carbonée variable entre 10 et 30 carbones une production traditionnelle à partir de végétaux oléagineux par procédés physico chimiques modulation des profils en fonction de l origine dépendance climatique et géographique compétition entre agriculture alimentaire et non-alimentaire Pour des usages alimentation, énergie (biodiesel), chimie

3 Contexte. La voie biocatalytique Substrats carbonés renouvelables Lipides H3C (CH2)n HC=CH (CH2)p COOH Alcanes Physico-chimie Hydrotraitement métathèse H3C (CH2)n H3C R CH2 OH Catalyse Chimique Bio O R C O R Ester d acide gras

4 Contexte. micro-organismes oléagineux Champignons %lip [X] Micro algue %lip [X] Sergeeva, 2007 Deg insat P Y S/lip Chisti, 2007 Deg insat P Y S/lip Bactéries %lip [X] Levures %lip [X] Keweloh, 1995 Deg insat Y S/lip Cescut 2010 Deg insat Y S/lip P P

5 Contexte. micro-organismes oléagineux FA% (kg lip /kg X ) C12:0 C14 : 0 C15:0 C16 : 0 C16 : 1 C17:0 C18 : 0 C18 : 1 C18 : 2 C18 : 3 Rhodotorula glutinis 72 T Huile de palme # T Yarrowia lipolytica Huile Soja # Huile Jatropha Cryptococcus albidus Streptomyces lividans Nannochloropsis

6 Voie fermentaire Voie photosynthétique Lipides

Recherche Recherche de microorganismes Maîtrise de leur métabolisme pour l innovation en

performantes, biodiversité, Conversions enzymatiques spécifiques de synthèse de lipides

de modulation des profils sur différents substrats et détermination des potentialités optimales

$purification des lipides : valorisation optimale de toutes les fractions lipidiques, innovation et$

7 Recherche Recherche de microorganismes Maîtrise de leur métabolisme pour l innovation en bioprocédés intensifs Verrous biologiques Sélection/élaboration de souches robustes et performantes, biodiversité, Conversions enzymatiques spécifiques de synthèse de lipides spécifiques, évolution dirigée et aléatoire des ces enzymes impliquées Mécanismes d accumulation et de modulation des profils sur différents substrats et détermination des potentialités optimales Verrous bioprocédés Physiologie quantitative pour la définition de stratégies de cultures à hautes performances Bioprocédés et transferts en milieux complexes Procédés d extraction, séparation et purification des lipides : valorisation optimale de toutes les fractions lipidiques, innovation et optimisation De nouveaux outils de scale up

Recherche Identification des filières d approvisionnements pour la diversification des substrats Etude de la déstructuration de la biomasse lignocellulosique Conception et Développement de nouvelles

8 Recherche Identification des filières d approvisionnements pour la diversification des substrats Etude de la déstructuration de la biomasse lignocellulosique Conception et Développement de nouvelles enzymes Etude des interactions substrats/enzymes en conditions de haute teneur en matières sèches Recherche de microorganismes Maîtrise de leur métabolisme pour l innovation en bioprocédés intensifs Innovations technologiques et le transfert des avancées vers les industriels

5 2 + NADPH,H CO 2 ATP CO 2 Pyruvate HS-CoA + NADH, COH 2 CO 2 Acetyl CoA HS-CoA OAA Citrate + NADPH,H ATP 1.

9 Voie fermentaire + 2NADPH,H CO 2 Glucose6-P ATP Microorganismes, Métabolisme et Bioprocédés Pentose P Fructose-P ATP NADH,H ATP Sedoheptulose7 P TrioseP GlycerolP NADH,H ATP Erythrose4P Glycerate3P PEP ATP NADPH,H CO 2 ATP CO 2 Pyruvate HS-CoA + NADH, COH 2 CO 2 Acetyl CoA HS-CoA OAA Citrate + NADPH,H ATP 1. Amplification Accumulation C C18 C20 2. Modulation Profil Malate NADH,H + ANABOLISME 2.5 Fumarate IsoCitrate CO 2 NADH,H + 2 FadH 2 Succinate SH-CoA + NADPH,H CO a Kglu 0.5 GTP SH-CoA Suc-CoA NADH,H + CO 2 n1 0 n2-0.5 n3

10 Voie fermentaire Depuis 2005, 59 publications, 7 brevets, 8 projets de collaboration spécifiques et 12 en lien avec le domaine aéronautique génie génétique ingénierie des souches IGM MICALIS IJPB EADS-IW physiologie, fermentation transferts, procédés SQPOV AIRBUS LISBP extraction, séparation TSE IMFT TWB économique, social, éthique

Voie fermentaire La filière levures /bactéries Ressources renouvelables non alimentaires Co produits industriels : glycérol et CO2 Résidus graisses Avec modulation du profil en fonction des usages

11 Voie fermentaire La filière levures /bactéries Ressources renouvelables non alimentaires Co produits industriels : glycérol et CO2 Résidus graisses Avec modulation du profil en fonction des usages Dans des Fermenteurs, Technologie mature industrielle * Performances indépendantes des localisations géographiques et climatiques biokérosène Drop in fuel (Huiles hydrotraitées certifiées ASTM) chimie, biodiesel *ie production ethanol : plus de 60 millions m3 avec des volumes de fermenteurs de m3

12 Voie fermentaire Production Biocatalytique de Bioproduits lipidiques à partir de matières premières renouvelables et co produits industriels : Application Biokérosène La nature a mis des millions d années pour convertir la biomasse en pétrole, aujourd hui les connaissances permettent d envisager de convertir la biomasse en hydrocarbures selon l échelle de temps des processus industriels. Levures et Bactéries

13 Photosynthèse Microorganismes photosynthétiques : microalgues, les cyanobactéries ainsi que certaines bactéries. Haematococcus p. Closterium Scenedesmus Arthrospira platensis Microcystis Croissance par photosynthèse : Milieu entièrement minéral, sans apport d un substrat organique (organismes autotrophes), par absorption en milieu aqueux des minéraux nécessaires et du carbone inorganique environnant grâce à la lumière captée.

Voie photosynthétique Principe des photobioréacteurs Particularité des microorganismes photosynthétiques (microalgues, cyanobactéries) Éclairage de la

particuliers photobioréacteurs Culture de microalgues Énergie reçue par la culture Profondeur de la culture Lumière atténuée au passage de la culture

14 Voie photosynthétique Principe des photobioréacteurs Particularité des microorganismes photosynthétiques (microalgues, cyanobactéries) Éclairage de la culture - Métabolisme fortement lié à la lumière - Besoin de lumière en plus des substrats classiques pour leur croissance Développement de procédés particuliers photobioréacteurs Culture de microalgues Énergie reçue par la culture Profondeur de la culture Lumière atténuée au passage de la culture distribution hétérogène dans le procédé Ne peut être apparentée à un substrat classique Photobioréacteurs basés sur des géométries spécifiques (Surface éclairée, faible volume)

15 Voie photosynthétique Optimisation des productivités en surface de captation 0.2 A. platensis (cyanobactérie) th Efficacité thermodynamique (-) C. reinhardtii (micro-algue eucaryote) Optimum = 15% à 2-5 W/m Densité de flux incidente q 0 (W/m 2 ) Journée ensoleillée, moyenne en captation directe : <q 0 > = W/m 2 η = 7-8% Productivités environ 10 fois supérieures aux plantes supérieures en plein champ On montre que la productivité ramenée à la surface de captation ne dépend que de l efficacité thermodynamique du processus photocatalytique. Toutes choses égales par ailleurs, la conception d un PBR à éclairage direct n influe pas sur ses performances en surface (il y a peu de place pour l ingénierie, sauf concept à captation-dilution du rayonnement)

Voie photosynthétique Génie des photobioréacteurs Deux conceptions sont développées Une intensification et optimisation du contrôle des systèmes à éclairage direct fermés, avec ou sans

85 Biomass concentration Cx (kg/m 3 ) G T Cx 1000 Global radiation G T (µmole/m 2.s) 0.8 500 0.

16 Voie photosynthétique Génie des photobioréacteurs Deux conceptions sont développées Une intensification et optimisation du contrôle des systèmes à éclairage direct fermés, avec ou sans concentration du flux incident q 0 = concept en couche mince (film tombant) ; on gagne essentiellement sur la productivité en volume (GEPEA, Nantes-St Nazaire) Biomass concentration Cx (kg/m 3 ) G T Cx 1000 Global radiation G T (µmole/m 2.s) Time (hour) Une conception à plus long terme, en rupture technologique, à haute productivité en surface et en volume qui concilie au mieux les contraintes par captation et dilution contrôlée du rayonnement en volume à l optimum thermodynamique au sein du réacteur (Institut Pascal, Clermont-Fd) Night Day Night

Souches Récolt e Extraction Bioraffinage Recyclage

17 Voie photosynthétique Problématique générale Valorisation effluents industriels Production Souches Récolt e Extraction Bioraffinage Recyclage Cosmétique Chimie Alimentation Bioénergie Biocarburant 3 ème G

18 1er colloque Energie CNRS & Académie des Technologies : La Recherche au cœur de la transition Energétique En associant tous les acteurs de ces travaux et plus particulièrement Les acteurs de la recherche du LISBP et GEPEA, Et Airbus/EADS, MICALIS, Institut Pascal, CEA/CNRS Cadarache

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