22 mars 2012 Le rôle clé des microorganismes et des enzymes dans la création dun nouvelle...
-
Upload
yvette-vignon -
Category
Documents
-
view
105 -
download
1
Transcript of 22 mars 2012 Le rôle clé des microorganismes et des enzymes dans la création dun nouvelle...
22 mars 2012
Le rôle clé des microorganismes et des enzymes dans la création d’un nouvelle économie basée sur
du carbone renouvelable
Denis GroleauInstitut de recherche en biotechnologie (IRB)CNRC, Montréal
QUESTION FONDAMENTALE ?
Sera-t-il possible de remplacer le baril depétrole par la biomasse dans l’économie de demain ? - Population mondiale en croissance ! - Maintenir notre niveau de vie ?
Quelles sont nos
chances ?
Pétrole&
Gaz naturel
Carburants
Produits chimiques7-10%
90% +
CO2
(surtout desplastiques)
Aujourd’hui
NOS OPTIONS:- Réduire nos déplacements
- Voitures plus économes
- Transport en commum
- Voitures électriques, etc
- CARBURANTS à partir de la biomasse (biocarburants) : 10-25% des besoins ?
Carburants
BIOCARBURANTS
IMMENSE DÉFI !
IMMENSE POTENTIEL:- Fermentation microbienne- Enzymes
Biomass
Water content 15%90%
Pre-treatment, extraction
Anaerobic digestion
Fermentationderivedapplications
CH4, CO2
H2, CO2
EtOHButOH
biochemical routes
Dark fermentation,bioelectrolysis
Dry /
Pyro-lysis
Gasifi-cation
Incine-ration
oil, chargas, CO2
syngas:CO, H2
CO2, CH4
CO2, heat
Transesterification
Biodiesel
thermochemical routes
Wet /
Targets
Biofuels projects
H2, CH4, n-butanol
Carboxydotrophic bioconversion
BIOCARBURANTS de 1ère génération:
- Éthanol à partir de céréales ou de sucres
- Biodiésel (à partir d’huiles végétales, de graisses animales ou de déchets)
Bioéthanol
Amidon de maïs/Autres céréales
Levure
Bioéthanol(Etats-Unis, Canada,Europe, etc)Etats-Unis: 47 milliards de litres, 2010)CANADA: GreenField Ethanol (600 millions de litres)
Canne à sucre(sucrose)
Levure
Bioéthanol(Brésil: 31 milliards de litres, 2010)
Bioéthanol
800 x 10(6)
autos dans le monde !
1000L bioéthanol/auto/année !
800 x10(9)litres/année !
États-Unis + Brésil = 78 x 10 (9) (2010)
Biodiésel
Huiles végétales (vierges ou usées)Gras animal Déchets alimentaires
Esters d’acides gras(mélange)
Glycérol
BiodiéselMéthanol +Chaleur + conditionsalcalines
Enzymes ??
Peut-être !
BIOCARBURANTS de 2e génération:
EMPHASE sur carbone non alimentaire
- Ethanol à partir de matières cellulosiques
- Butanol/Isobutanol
Éthanol cellulosique
Matièrescellulosiques(qualité très variable)
Clostridium thermocellumÉthanol
Thermochimie Gazsynthétique Méthanol
Catalysechimique
Hydrolyseenzymatique
Hydrolysechimique SUCRES
SIMPLES
Fermentation(levure ou bactérie)
Iogen Corp.
Éthanol cellulosique
Matières cellulosiques = Le ``challenge`` du
21e siècle !
Principaux handicaps:-Variabilité de la qualité du matériel;-Approvisionnement problématique;- Présence d’autres polymères (lignine, hémicelluloses);- Coût élevé des enzymes (cocktail de cellulases);- Présence d’inhibiteurs.
Encore en mode ``r&D``
Éthanol cellulosique
Coskata, Inc.:
CO + H 2
Éthanol cellulosique
Procédé Enerkem:
Gaz synthétiqueMéthanolÉthanol
Fermentation Biocarburants (2e ou 3e génération)Un jour ?
Butanol/Isobutanol
Butanol/Isobutanol(4 carbones)
vs.Éthanol(2 carbones)
• Plus d’énergie par molécule ou par carbone;• Plus compatibles avec les réseaux de distribution;• Moins corrosifs;• Ressembletn un peu plus à la gazoline.
Butanol/Isobutanol
COMPAGNIES intéressées:
• Cathay Industrial Biotech (Chine)
• Butamax (BP + DuPont) - Isobutanol
• Green Biologics (Angleterre)
• Solvert (Angleterre)
• Cobalt Technologies (Etats-Unis)
• Gevo Development (Etats-Unis)- Isobutanol
Gevo Development
Un autre résultat du génie métabolique !
Levure
Green Biologics
Sucres(flexibilité)
ButanolAcetoneÉthanol
Clostridium
BIOCARBURANTS de 3e génération:
- Nouveaux carburants par génie métabolique/biologie synthétique
- ``Jet fuel’’
- Biocarburants à partir de microalgues
Nouveaux biocarburants ?
• Pas obligé de se limiter aux biocarburants déjà connus !
• À la recherche de molécules chimiques:– chargées en énergie;
– relativement volatiles;
– pas trop toxiques pour le microorganisme producteur;
– Faciles à extraire et à purifier.
Nouveaux biocarburants ?
APPROCHE GÉNÉRALE:
E. coli
Génie génétique
Génie métaboliqueBiologie synthétique
Dérivés du butanol
Microdiésel
Acides gras
Terpènes
Isopropanol
Nouveaux biocarburants ?
EXEMPLES DE RÉSUTATS RÉCENTS:
Production of isopropanol by metabolically engineered
Escherichia coli. 2007. Jojima et coll. Japon
Production of 2-methyl-1-butanol in engineered Escherichia coli.
Cann et Liao. 2008. Etats-Unis.
Engineering of an Escherichia coli strain for the production of
3-methyl-1-butanol. 2008. Connor et Liao. Etats-Unis.
Nouveaux biocarburants ?
• A process for microbial hydrocarbon synthesis: Overproduction of fatty acids in Escherichia coli and catalytic conversion to alkanes. 2010. Lennen et coll. Etats-Unis.
• Selection and optimization of microbial hosts for biofuels production. 2008. Fischer et coll. Etats-Unis (2-butanol, terpènoïdes, lipides à chaînes plus longues).
• Microdiesel: Escherichia coli engineered for fuel production. 2006. Kalscheuer et coll. Allemagne (principalement ‘’ethyl oleate’’)
``Jet Fuel``
Virgin introduces a lower carbon jet fuelBy David Worthington | November 2, 2011, 7:26 PM PDT
``Jet fuel``
Gaz riche en CO
Biomasse
Gazéification
Autressources
Catalysechimique
Cas des microalgues
Microalgues = presque des microorganismes !
• Utilisent le CO2 + lumière en mode photosynthétique
• Plusieurs peuvent croître à la noirceur sur sucres et/ou acides organiques
• Accumulent des lipides (futur biodiésel !) – 50% et + (g/g)
• Grande productivité (10X et + par rapport aux plantes)
• MAIS: technologies encore trop chères !
Cas des microalgues
EXEMPLE: Tecbio + NASA + Boeing(Brésil) = Biokérosène pour avions !
Microalgues(systèmes ouverts) Huiles Esters
d’acides gras
TransestérificationExtraction
HydrogénationBiokérosène (jets)
Pétrole&
Gaz naturel
Carburants
Produits chimiques7-10%
90% +
CO2
(surtout desplastiques)
EN RÉALITÉ !
Produitschimiquesd’aujourd’hui
30-35blocs ‘’Lego’’chimiques
AmidonHémicellulosesCelluloseLignineHuilesProtéines
Demain ?
Biomasse
Pétrole &Gaz naturel
Présentement
Inspiré de: Rapport du DOE, 2004 (Etats-Unis)
30-35 blocs ‘’Lego’’
Hydrogène Acide succinique Acide citrique
Méthanol Acide fumarique Acide aconitique
Éthylene Acide aspartique 5-hydroxyméthylfurfural
Propylène 3-hydroxy-butyrolactone Lysine
CO Acétoïne Acide gluconique
Méthane Thréonine Acide glucarique
Glycérol Acide itaconique Sorbitol
Acide lactique Furfural Acide gallique
3-Hydroxy-proprionate Acide lévulinique Acide férulique
Acide malique Acide xylonique Acide acrylique
Sérine Xylitol/Arabitol Acide adipique
Acide lactique
Acide lactique ``bio``:• Un des premiers grands succès de la biotech indstrielle• Cargill Co. (via NatureWorks Inc.) est le joueur le plus connu (Nebraska, usine de 140,000 t/an)
Acide lactique
Alimentation
PharmacieAcidulantPlastique (PLA)
Pesticide/autres
Acide lactique
Maïs
Amidon
Glucose
Liquéfaction +enzymes
Acidelactique
Fermentation
Lactobacillus,Bacillus,Rhizopus
Extraction &Purification
Acide lactiquetrès pur
Catalysechimiquecomplexe
PLA(Polylactic Acid)
Plastiquebiodégradable
Acide succinique
Pour:• PBS•PBT•Polyuréthanes•Fibres Spandex• Etc
Acide succinique
Acide succinique ``bio``
BioAmber Myriant TechnologiesReverdiaPurac-BASFPTT Chem
Amidons (céréales)ou sucres simples
Cellules``préparées``
E. Coli(génétiquement modifiée)
FiltrationEau & Sels
Glucose CO2
E. coli
Acidesuccinique1
2
``bio``
Acide adipique
Acide adipique ``bio’’VerdezyneBioAmberGenomaticaRennoviaNylon 6,6
Potentiel de 8 milliard $/an
SucresHuiles végétalesAlcanes Levure ?
Génie métabolique/Biologie synthétique Acide adipique
(preuve de concept)
Flexibilité
Éthylène
• Le top bloc ``Lego`` chimique• Pour plastiques (polyéthylènes et polypropylènes)
• Production mondiale: 109 million de tonnes (2006)
Éthylène ``bio’’ s’en vient !
Sucrose(canne à sucre) Éthanol
Fermentation
ÉthylèneDéshydratation
400ºC
Brésil: Braskem, DOW
Isobutène
Global Bioénergies S.A. (France):
SucresBactérie ``secrète``
Isobutène
Isobutènequasi pur
CarburantPlastiquesCaoutchoucPlexiglass
Biologie synthétique/génie métabolique
EXEMPLES DE TRAVAUX RÉCENTS
- Collègues de l’IRB-CNRC
- Ceux de mon équipe
Méthanol ‘’vert’’
PlastiqueBiodégradable(PHB)
Fermentation
Déchets/biomassesde faible valeur
Thermochimie
(équipe de Carlos Miguez + D. Groleau, IRB-CNRC)
Waste Products (municipal waste, biomass, etc.)
Enerkem (Sherbrooke, Qc)
« Green » Methanol
Nutrionally happy PHB granules
PHB induction phase
Nitrogenlimitation
Biomass(50% PHB)
Pure biopolyester
Environmental/SocietalAdvantages:•Non-food substrate•GHG emissions reduction•Efficient and practical form of Carbon Capture•Biodegradable product•Sustainable process
Methylobacterium extorquens
Gasification/Steam reforming
PHB [poly(3-hydroxybutyrate)]
•PHBV and Functionalized PHAs•Tailor-made PHAs achieved by nutritional and/or molecular means
Products: biocomposites, technical fabrics for construction and automotive applications
« Green » Methanol
HCD Production Capabilities50 Kg Polyester/run (Pilot Scale)
150-1500 L Fermenters
• Source of hydroxy fatty acids for enzymatic production of biopolyol-type hydroxy glycerides
Products: biopolyol-based polyurethanesfor automotive, construction, and aerospaceapplications
Nutrionally happy PHB granules
PHB induction phase
Nitrogenlimitation
Biomass(50% PHB)
Pure biopolyester
• PHB and PHBV reinforced with NCC and natural fibers: compatibilization of NCC in PHB and PHBV matrices
• PHAs reinforced with nanoclays, carbon nanotubes• Blends of lignin and PHAs
ÉTAPE PRÉ-COMMERCIALISATION:
- Projet fait partie d’un méga nouveau programme phare du CNRC sur les biocomposites (industries automobile et construction)
- 2 compagnies intéressées
Direct fermentation of Triticale starch to lactic acid by Rhizopus oryzae.
Xiao Zhizhuang, Wu Meiqun, Beauchemin Manon, Groleau Denis, and Lau Peter C.K.. Industrial Biotechnology. April 2011.
Triticale
Farine brute
Farine semi-purifiée
Rhizopus oryzae NRRL 29086
L(+)-Acide lactique
Oui !- Bioréacteurs de 2L
- 0.87 g sur g
Des mousses de polyuréthane 100% biodégradables ?(équipe de Robert Lortie, IRB-CNRC)
MM ajustable
Propriétésajustables
Nouvelles huiles industriellesproduisant des acides hydroxylés
Acides grashydroxylés Nouveaux biopolyols
Huiles industriellesexistantes
Assemblage
e.g. avec glycérol
Le but est de remplacer le plus possible de pétro-polyols.
Hydroxylation
Polyuréthanes Mousses et résines
Piles microbiennes à combustible
(équipe de B. Tartakovsky et S. Guiot, IRB-CNRC)
Microbial electrolysis cell (MEC) → bioelectrosynthesis → electrofuels
H2
Power source+ –
CO2Substrate
(catalytic, Pd/Pt)
e-
H2OH2
• CO2 + e− + H+ → CH4CH4
CO2
CH4
• Acetate + e− + H+ → Ethanol• Butyrate + e− + H+ →
Butanol
CH3COOH
CH
3C
H2O
H
Biomasse(déchets)
Microbial electrolysis cell (MEC) → biohydrogen
• H2 production : > 6 LH2/LA•d
• Energy cost : < 1/3 of that of water electrolysis
H2
Power source+ –
CO2Substrate
(catalytic, Pd/Pt)
e-
H2OH2
2 électrons + 2 protons = Hydrogène2 électrons + 2 protons = Hydrogène
Bioconversion des gaz de synthèse
(‘’syngas’’) en biocarburants
(équipe de S. Guiot, IRB-CNRC)
Syngas bio-methanation
Carboxydotrophic methanogenesis, to convert syngas compounds into methane
– CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O (∆G°' = -245 kJ/mol CO2)– CO + 3 H2 CH4 + H2O (∆G°' = -150 kJ/mol CO)– 4 CO + 2 H2O CH4 + 3 CO2 (∆G°' = -53 kJ/mol CO)
Gasification
SYNGAS
Biocatalyzedconversion
BIOGASCH4, CO2
CO 30-45%
H2 40-25%
CO2 35-15%
CH4 10-1%
C2+, NH3, H2S, N2, HCN …
1/4 mol CH4 per mol CO + 1/4 mol CH4 per mol H2
i.e. 0.3 Nm3 CH4/kg solid gasified
52
Engineering challenge : to significantly improve gas-to-liquid mass transfer rate
Clostridium carboxidivorans
low butanol production
Syngas (CO)
metabolic metabolic engineerinengineerin
gg
Clostridium carboxidivorans
higher butanol production
higher butanol tolerance
Syngas (CO)
redirect carbon flux to butanol production
(KO and overexpression of specific enzymes)(transformation system)
tolerance to solvent
(expression of thermophilic chaperonin)
Fermentation of syngas into liquid fuels : main
challenge
Metabolic engineering e.g. in Clostridia carboxidivorans, to redirect carbon flux towards butanol
either by genes ‘knockout’
or by over expression of appropriate enzymes
Tolerance to higher butanol titer
Développement d’enzymes et leur utilisation dans la production de fibres naturelles
(équipes de Peter Lau et de Denis Rho, IRB-CNRC)
Fibres de lin ou de chanvre
Étude détaillées de la Linase
Substrat:Pectine de citron
Cutinase
Pectinase La linase est une pectate lyase
Procédés de rouissage microbien
Objectifs du rouissage:
• Aide à la défibration, à la séparation des fibres unitaires des faisceaux de fibres;
• Maximise / améliore le rendement en fibres, la qualité des fibres, les propriétés de surface;
CONCLUSIONS
Bioéconomie : définitions
Source du carbone Technologie Bioéconomie
Oui
Oui
Non !
Biomasse +
%
75%
25%Biomasse +
Microorganisme ou enzyme
Chimie
Pétrole ou gaz naturel +
Microorganisme ou enzyme
D’où viendra la pression ?
• Coût du baril de pétrole ?• Pénurie de pétrole ?• Effet des gaz à effet de serre (GES) ?• Réglementation reliée aux GES ? Taxe sur le carbone ?• Image corporative ?
Besoin d’avoir une source ‘’fiable’’ de carbone à prix ‘’stable’’ et de montrer une image ‘’verte’’ !
Étape par étape
• Procédé(s) de 2e ou 3e génération (au cas où….)
• Attendre le moment propice pour passer du pétrole à la biomasse
PEU IMPORTE LE PRODUIT OU LA COMPAGNIE:
Le Canada est un pays idéal pour la bioéconomie:
• Beaucoup de biomasse (forestière, agricole, déchets, etc);
• Beaucoup d’eau;
• Immense territoire;
• Besoin de revitaliser les régions et de créer des emplois.
MERCI !