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22 mars 2012 Le rôle clé des microorganismes et des enzymes dans la création dun nouvelle économie basée sur du carbone renouvelable Denis Groleau Institut.

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1 22 mars 2012 Le rôle clé des microorganismes et des enzymes dans la création dun nouvelle économie basée sur du carbone renouvelable Denis Groleau Institut de recherche en biotechnologie (IRB) CNRC, Montréal

2 QUESTION FONDAMENTALE ? Sera-t-il possible de remplacer le baril de pétrole par la biomasse dans léconomie de demain ? - Population mondiale en croissance ! - Maintenir notre niveau de vie ?

3 Quelles sont nos chances ?

4 Pétrole & Gaz naturel Carburants Produits chimiques 7-10% 90% + CO 2 (surtout des plastiques) Aujourdhui

5 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

6 BIOCARBURANTS IMMENSE DÉFI ! IMMENSE POTENTIEL: - Fermentation microbienne - Enzymes

7 Biomass Water content15%90% Pre-treatment, extraction Anaerobic digestion Fermentation derived applications CH 4, CO 2 H 2, CO 2 EtOH ButOH biochemical routes Dark fermentation, bioelectrolysis Dry / Pyro- lysis Gasifi- cation Incine- ration oil, char gas, CO 2 syngas: CO, H 2 CO 2, CH 4 CO 2, heat Transest erification Biodiesel thermochemical routes Wet / Targets Biofuels projects H 2, CH 4, n-butanol Carboxydotrophic bioconversion

8 BIOCARBURANTS de 1ère génération: -Éthanol à partir de céréales ou de sucres -Biodiésel (à partir dhuiles végétales, de graisses animales ou de déchets)

9 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)

10 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)

11 Biodiésel Huiles végétales (vierges ou usées) Gras animal Déchets alimentaires Esters dacides gras (mélange) Glycérol Biodiésel Méthanol + Chaleur + conditions alcalines Enzymes ?? Peut-être !

12 BIOCARBURANTS de 2 e génération: EMPHASE sur carbone non alimentaire -Ethanol à partir de matières cellulosiques -Butanol/Isobutanol

13 Éthanol cellulosique Matières cellulosiques (qualité très variable) Clostridium thermocellum Éthanol Thermochimie Gaz synthétique Méthanol Catalyse chimique Hydrolyse enzymatique Hydrolyse chimique SUCRES SIMPLES Fermentation (levure ou bactérie) Iogen Corp.

14 Éthanol cellulosique Matières cellulosiques = Le ``challenge`` du 21e siècle ! Principaux handicaps: -Variabilité de la qualité du matériel; -Approvisionnement problématique; - Présence dautres polymères (lignine, hémicelluloses); - Coût élevé des enzymes (cocktail de cellulases); - Présence dinhibiteurs. Encore en mode ``r&D``

15 Éthanol cellulosique Coskata, Inc.: CO + H 2

16 Éthanol cellulosique Procédé Enerkem: Gaz synthétique Méthanol Éthanol Fermentation Biocarburants (2e ou 3e génération) Un jour ?

17 Butanol/Isobutanol Butanol/ Isobutanol (4 carbones) vs. Éthanol (2 carbones) Plus dénergie par molécule ou par carbone; Plus compatibles avec les réseaux de distribution; Moins corrosifs; Ressembletn un peu plus à la gazoline.

18 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

19 Gevo Development Un autre résultat du génie métabolique ! Levure

20 Green Biologics Sucres (flexibilité) Butanol Acetone Éthanol Clostridium

21 BIOCARBURANTS de 3 e génération: -Nouveaux carburants par génie métabolique/biologie synthétique -``Jet fuel -Biocarburants à partir de microalgues

22 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.

23 Nouveaux biocarburants ? APPROCHE GÉNÉRALE: E. coli Génie génétique Génie métabolique Biologie synthétique Dérivés du butanol Microdiésel Acides gras Terpènes Isopropanol

24 Nouveaux biocarburants ? EXEMPLES DE RÉSUTATS RÉCENTS: Production of isopropanol by metabolically engineered Escherichia coli Jojima et coll. Japon Production of 2-methyl-1-butanol in engineered Escherichia coli. Cann et Liao Etats-Unis. Engineering of an Escherichia coli strain for the production of 3-methyl-1-butanol Connor et Liao. Etats-Unis.

25 Nouveaux biocarburants ? A process for microbial hydrocarbon synthesis: Overproduction of fatty acids in Escherichia coli and catalytic conversion to alkanes Lennen et coll. Etats-Unis. Selection and optimization of microbial hosts for biofuels production Fischer et coll. Etats-Unis (2-butanol, terpènoïdes, lipides à chaînes plus longues). Microdiesel: Escherichia coli engineered for fuel production Kalscheuer et coll. Allemagne (principalement ethyl oleate)

26 ``Jet Fuel`` Virgin introduces a lower carbon jet fuel By David Worthington | November 2, 2011, 7:26 PM PDTDavid Worthington

27 ``Jet fuel`` Gaz riche en CO Biomasse Gazéification Autres sources Catalyse chimique

28 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 !

29 Cas des microalgues EXEMPLE: Tecbio + NASA + Boeing (Brésil) = Biokérosène pour avions ! Microalgues (systèmes ouverts) Huiles Esters dacides gras Transestérification Extraction Hydrogénation Biokérosène (jets)

30 Pétrole & Gaz naturel Carburants Produits chimiques 7-10% 90% + CO 2 (surtout des plastiques)

31 EN RÉALITÉ ! Produits chimiques daujourdhui blocs Lego chimiques Amidon Hémicelluloses Cellulose Lignine Huiles Protéines Demain ? Biomasse Pétrole & Gaz naturel Présentement Inspiré de: Rapport du DOE, 2004 (Etats-Unis)

32 30-35 blocs Lego HydrogèneAcide succiniqueAcide citrique MéthanolAcide fumariqueAcide aconitique ÉthyleneAcide aspartique5-hydroxyméthylfurfural Propylène3-hydroxy-butyrolactoneLysine COAcétoïneAcide gluconique MéthaneThréonineAcide glucarique GlycérolAcide itaconiqueSorbitol Acide lactiqueFurfuralAcide gallique 3-Hydroxy-proprionateAcide lévuliniqueAcide férulique Acide maliqueAcide xyloniqueAcide acrylique SérineXylitol/ArabitolAcide adipique

33 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 Pharmacie Acidulant Plastique (PLA) Pesticide/autres

34 Acide lactique Maïs Amidon Glucose Liquéfaction + enzymes Acide lactique Fermentation Lactobacillus, Bacillus, Rhizopus Extraction & Purification Acide lactique très pur Catalyse chimique complexe PLA (Polylactic Acid) Plastique biodégradable

35 Acide succinique Pour: PBS PBT Polyuréthanes Fibres Spandex Etc

36 Acide succinique Acide succinique ``bio`` BioAmber Myriant Technologies Reverdia Purac-BASF PTT Chem Amidons (céréales) ou sucres simples Cellules ``préparées`` E. Coli (génétiquement modifiée) Filtration Eau & Sels Glucose CO 2 E. coli Acide succinique 1 2 ``bio``

37 Acide adipique Acide adipique ``bio Verdezyne BioAmber Genomatica Rennovia Nylon 6,6 Potentiel de 8 milliard $/an Sucres Huiles végétales Alcanes Levure ? Génie métabolique/Biologie synthétique Acide adipique (preuve de concept) Flexibilité

38 Éthylène Le top bloc ``Lego`` chimique Pour plastiques (polyéthylènes et polypropylènes) Production mondiale: 109 million de tonnes (2006) Éthylène ``bio sen vient ! Sucrose (canne à sucre) Éthanol Fermentation Éthylène Déshydratation 400ºC Brésil: Braskem, DOW

39 Isobutène Global Bioénergies S.A. (France): Sucres Bactérie ``secrète`` Isobutène quasi pur Carburant Plastiques Caoutchouc Plexiglass Biologie synthétique/génie métabolique

40 EXEMPLES DE TRAVAUX RÉCENTS - Collègues de lIRB-CNRC - Ceux de mon équipe

41 Méthanol vert Plastique Biodégradable (PHB) Fermentation Déchets/biomasses de faible valeur Thermochimie (équipe de Carlos Miguez + D. Groleau, IRB-CNRC)

42 Waste Products (municipal waste, biomass, etc.) Enerkem (Sherbrooke, Qc) « Green » Methanol Nutrionally happyPHB granules PHB induction phase Nitrogen limitation Biomass (50% PHB) Pure biopolyester Environmental/Societal Advantages: Non-food substrate GHG emissions reduction Efficient and practical form of Carbon Capture Biodegradable product Sustainable process Methylobacterium extorquens

43 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 Capabilities 50 Kg Polyester/run (Pilot Scale) L Fermenters Source of hydroxy fatty acids for enzymatic production of biopolyol-type hydroxy glycerides Products: biopolyol-based polyurethanes for automotive, construction, and aerospace applications Nutrionally happyPHB granules PHB induction phase Nitrogen limitation 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

44 ÉTAPE PRÉ-COMMERCIALISATION: -Projet fait partie dun méga nouveau programme phare du CNRC sur les biocomposites (industries automobile et construction) -2 compagnies intéressées

45 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 Triticale Farine brute Farine semi-purifiée Rhizopus oryzae NRRL L(+)-Acide lactique Oui ! - Bioréacteurs de 2L g sur g

46 Des mousses de polyuréthane 100% biodégradables ? (équipe de Robert Lortie, IRB-CNRC)

47 MM ajustable Propriétés ajustables Nouvelles huiles industrielles produisant des acides hydroxylés Acides gras hydroxylés Nouveaux biopolyols Huiles industrielles existantes Assemblage e.g. avec glycérol Le but est de remplacer le plus possible de pétro-polyols. Hydroxylation Polyuréthanes Mousses et résines

48 Piles microbiennes à combustible (équipe de B. Tartakovsky et S. Guiot, IRB-CNRC)

49 Microbial electrolysis cell (MEC) bioelectrosynthesis electrofuels H2H2 Power source +– CO 2 Substrate (catalytic, Pd/Pt) e-e- H2OH2O H2H2 CO2 + e + H + CH 4 CH 4 CO 2 CH 4 Acetate + e + H + Ethanol Butyrate + e + H + Butanol CH 3 COOH CH 3 CH 2 OH Biomasse (déchets)

50 Microbial electrolysis cell (MEC) biohydrogen H 2 production : > 6 L H2 /L A d Energy cost : < 1/3 of that of water electrolysis H2H2 Power source +– CO 2 Substrate (catalytic, Pd/Pt) e-e- H2OH2O H2H2 2 électrons + 2 protons = Hydrogène

51 Bioconversion des gaz de synthèse (syngas) en biocarburants (équipe de S. Guiot, IRB-CNRC)

52 Syngas bio-methanation Carboxydotrophic methanogenesis, to convert syngas compounds into methane –CO H 2 CH H 2 O (G°' = -245 kJ/mol CO 2 ) –CO + 3 H 2 CH 4 + H 2 O (G°' = -150 kJ/mol CO) –4 CO + 2 H 2 O CH CO 2 (G°' = -53 kJ/mol CO) Gasification SYNGAS Biocatalyzed conversion BIOGAS CH 4, CO 2 CO30-45% H2H % CO % CH % C2+, NH 3, H 2 S, N 2, HCN … 1/4 mol CH 4 per mol CO + 1/4 mol CH 4 per mol H 2 i.e. 0.3 Nm 3 CH 4 /kg solid gasified 52 Engineering challenge : to significantly improve gas-to- liquid mass transfer rate

53 Clostridium carboxidivorans low butanol production Syngas (CO) metabolic engineering 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)

54 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

55 Développement denzymes et leur utilisation dans la production de fibres naturelles (équipes de Peter Lau et de Denis Rho, IRB-CNRC)

56 Fibres de lin ou de chanvre

57 Étude détaillées de la Linase Substrat: Pectine de citron Cutinase Pectinase La linase est une pectate lyase

58 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;

59 CONCLUSIONS

60 Bioéconomie : définitions Source du carboneTechnologieBioéconomie Oui Non ! Biomasse + % 75% 25% Biomasse + Microorganisme ou enzyme Chimie Pétrole ou gaz naturel + Microorganisme ou enzyme

61 Doù 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 davoir une source fiable de carbone à prix stable et de montrer une image verte !

62 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:

63 Le Canada est un pays idéal pour la bioéconomie: Beaucoup de biomasse (forestière, agricole, déchets, etc); Beaucoup deau; Immense territoire; Besoin de revitaliser les régions et de créer des emplois.

64 MERCI !


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