L utilisation des micro-organismes pour la production de carburants et de produits (bio)-chimiques

L utilisation des micro-organismes pour la production de carburants et de produits (bio)-chimiques I R. A L I S O N B R O G N A U X U N I T É D E B I O - I N D U S T R I E S G E M B L O U X A G R O B I O - T E C H U N I V E R S I T E D E L I E G E

Contexte général des biotechnologies -D É F I N I T I O N D E S B I O T E C H N O L O G I E S -T Y P E S D E B I O T E C H N O L O G I E S -P R É S E N T A T I O N D E S E N Z Y M E S E T D E L A F E R M E N T A T I O N -F O C U S F E R M E N T A T I O N : B I O P R O D U I T S E T B I O C A R B U R A N T S

Contexte général des biotechnologies D É F I N I T I O N D E S B I O T E C H N O L O G I E S

Définition formelle des biotechnologies «ensemble des méthodes et des techniques qui utilisent comme outils des organismes vivants (cellules animales et végétales, microorganismes ) ou des parties de ceuxci (gènes, enzymes, ) pour des applications environnementales, agro-alimentaires ou biomédicales»

Contexte général des biotechnologies D I F F É R E N T S T Y P E S D E B I O T E C H N O L O G I E S

1. Technologies agricoles Espèces végétales Besoins alimentaires 2. Technologies de la génétique Espèces végétales et animales Sélection des espèces Besoins alimentaires Besoins agricoles, etc.

3. Technologies médicales Cellules animales et végétales, gènes, protéines, virus etc. Santé 4. Technologies de fermentation Microorganismes besoins alimentaires Santé Environnement Domestique

Les couleurs des Biotechnologies Biotechnologies rouges Santé Protéines thérapeutiques, diagnostics, thérapie génique Biotechnologies vertes Agro-alimentaire agriculture, alimentation, OGM BIOTECHNOLOGIES Biotechnologies bleues La vie marine Tous les produits qui en sont issus Biotechnologies blanches Biotech. industrielle Emploi de systèmes biologiques Biotechnologies jaunes L environnement Sa protection, la dépollution

Les biotechnologies rouges domaine de la santé (ex : vaccin) Les biotechnologies vertes domaine agricole et animal Les biotechnologies bleues domaine marin Les biotechnologies blanches domaine de l industrie (fermentation)

Définition des Biotechnologies BLANCHES BIOTECHNOLOGIES BLANCHES «elles ont pour objet la fabrication de produits chimiques et de bioénergie à l échelle industrielle par l utilisation de la biomasse comme matière première renouvelable ; ces transformations sont réalisées à l aide de systèmes biologiques comme alternative aux procédés chimiques classiques»

Contexte actuel Les faits : envolée des prix des produits pétroliers ces dernières années source d énergie et matière première de nombreux produits chimiques Problématique : ressources limitées et impact écologique Solutions? Recherche d alternatives durables et propres les biotechnologies blanches ou industrielles Biotechnologies blanches : emploi de systèmes biologiques pour la production industrielle en remplacement des voies chimiques actuellement empruntées

Contexte général des biotechnologies P R É S E N T A T I O N D E S E N Z Y M E S E T D E L A F E R M E N T A T I O N ( B I O T E C H N O L O G I E B L A N C H E E T R O U G E )

Biotechnologie blanche ou industrielle Produits (ou sous-produits) de l agriculture, de l industrie et domestiques Biocatalyse par des enzymes Fermentation par des micro-organismes Sucres, peptides, protéines, Acides, alcools, arômes, tensio-actifs, enzymes Biocarburants Biomatériaux Substances biochimiques

Substrats Fermentation Acteurs Bactérie Gram- et Gram+ Produits Biomasse cellulaire CO 2, H 2, CH 4, etc Levure Moisissure Acides, alcools, arômes, tensioactifs, Micro-algues Enzymes pour la biocatalyse

Fermentation Conversion de substrat en produits biochimiques avec moyennes et/ou hautes valeurs ajoutées à l aide des microorganismes Concept de l usine cellulaire Cellule = outil de transformation et de production de la molécule Remplacement de la chimie de synthèse par de la chimie «biologique» arômes, agents tensio-actifs, antibiotiques, etc. Remarque : les enzymes sont produites par fermentation!!! indispensables pour les procédés qui nécessitent la biocatalyse! Les jus de fruits, la poudre à lessiver, hydrolyse de l amidon, etc

Biocatalyse Catalyse = phénomène qui modifie la vitesse d une réaction chimique par l action d un catalyseur (origine chimique ou biologique) Enzyme = protéine produite par un organisme vivant Accélère les réactions biochimiques Grande rapidité et spécificité Conditions «douces» : ph, T et pression modérés, en milieux acqueux respect de l environnement

Parce que Intérêt des biotech industrielles? Procédés plus propres Valorisation de sous-produits Economie Moins de déchets Moins énergivores développement durable Qualité de vie Ecosystèmes Mais Manque de maturité des technologies actuelles Cout de production actuel élevé Concurrence des usages

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2. Marché des biotechnologies microbiennes - Epuration des eaux - Biogaz - Biocarburant - Acides organiques - Alcools - Acides aminés - Enzymes - Polymères - Arômes - Antibiotiques - Protéines recombinantes Prix de revient Volume du réacteur

Substances biochimiques = substance biochimique produite par bioconversion spécifique d un substrat Microorganisme adapté et environnement contrôlé (ph, T, O 2, substrat) Métabolites I : enzymes, acides, alcools, etc. Métabolites II : arômes, antibiotiques, tensio-actifs Intérêt = remplacement des procédés complexes de chimie de synthèse! Exemples Enzymes (métabolite I) : usage direct (poudre à lessiver) ou indirect (biocatalyse : amidon en glucose) Arômes (métabolite II) : pêche (gamma-hexalactone) dans les yogourt ou Ice-Tea Tensio-actifs (métabolite II) : détergents, savons, agents de surface!

Production de protéines recombinantes par génie génétique en industrie pharmaceutique

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Biocarburant (1 ère génération) = carburant produit à partir de matériaux organiques renouvelables et non-fossiles. Comment? Usages de la biocatalyse et de la fermentation Production de biocarburant à partir de matières végétales alimentaires Biocatalyse 1. Biocatalyse Des enzymes «hydrolysent» le substrat en sucres simples 2. Fermentation Des levures fermentent les sucres simples en éthanol Cependant Manques de surfaces agricoles disponibles Compétition nourriture / carburant Dégradation de l environnement

Biocarburant (2 ème génération) (+) Meilleur rendement Pas de compétition avec la filière alimentaire (-) Cout de production actuel élevé Manque de maturité des technologies actuelles Concurrence des usages La 3 ème génération déjà en cours (microalgues)

Biocarburants (3 ème génération) La 3 ème génération déjà en cours (microalgues) Biodiesel

Notions de cultures de microorganismes en bioréacteurs -D É V E L O P P E M E N T D U N B I O P R O C É D É -F O C U S S U R L E B I O R É A C T E U R

Introduction Le fermenteur est essentiellement une cuve stérilisable, dans laquelle on peut réguler la température, le ph, le débit d air, le système d agitation, la formation de mousse, la pression, et où on peut mesurer la température, la teneur en oxygène, le ph, la biomasse. De plus, divers alimentations peuvent y être ajoutées. Cet ensemble est contrôlé par ordinateur.

Introduction

Schéma général du développement d un bioprocédé Sélection et optimisation de la souche microbienne Bioréacteur Préparation du milieu Scaling up Séparation S-L Conditionnement de la biomasse (phase S) Disruption cellulaire Séparation S-L Conditionnement d un métabolite intracellulaire (phase L) Conditionnement d un métabolite extracellulaire (phase L)

Screening en phase solide Screening en phase liquide

Fermenteur de laboratoire

Fermenteur de 20 L

Fermenteurs de 500 et 2000 L Fermenteur de 2000 L

Centrifugation

Ultrafiltration

Lyophilisation

Atomisation 37

Produit fini sous forme de poudre

Complexité du systèmes: deux composantes fondamentalement différentes à étudier (interactions) Comportement des microorganismes Bio-réacteur : composante physique Population microbienne : composante biologique

BATCH FED-BATCH CONTINU

Interface pour un système de régulation de bioréacteur 42

Régulation des paramètres physico-chimiques du bioréacteur Sonde T Sonde ph Sonde po 2 Membrane téflon

Suivi en ligne des paramètres du réacteur fed-batch History Plot fis sd BIOSTAT Bplus_2 Feb 28 2012(Running) Selection :28/02/2012 9:34:30-29/02/2012 12:05:57 ph.value;db 0.10 ph po2.value;db 1.0 % ACID.Value;Db 5.0 ml BASE.Value;Db 5.0 ml TEMP.Value;Db 0.20 C TEMP C 40.0 BASE ml 100 ACID ml 10 po2 % 100.0 ph ph 75 8 75.0 7.50 35.0 50 5 50.0 6.75 25 3 25.0 30.0 0 0 0 6.00 0 7.500 15.000 22.500 Batch Age [hours](gmt +1)W. Europe Standard Time

Boucle de régulation fermée avec rétro-action (feedback) Si pas de rétro-action par un senseur, boucle de régulation ouverte