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

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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 !