Les biotechnologies au service des bioraffineries

La bioraffinerie  est un ensemble industriel localisé sur un même site qui transforme  la biomasse en source d’énergie ou de chaleur, en produits chimiques, en alimentations humaines ou animales et en biomatériaux.Il existe 4 types de bioraffinerie:

• les bioraffineries céréalières
  •  exemple: la valorisation des constituants de la paille de blé par la société CIMV afin de produire des lignines linéraires, de la cellulose et des sirops de sucres qui pourront servir à produire pour le premier, des résines utilisées dans les adhésifs , pour le second, du papier et en ce qui concerne le dernier des aliments pour animaux  ou des biocarburants.
• les bioraffineries sucrières
  • exemple: la valorisation des constituants de la canne à sucre ou de betterave sucrière afin de produitre du bioéthanol (biocarburant), alimentation humaine et animale, additifs pour colles et substrat de fermentation. Le co-produit de la betterave appelé pulpe est utilisé en nutrition animale, le co-produit de la canne à sucre appelé la bagasse sert à la production d’énergie.
• les bioraffineries oléagineuses
  • Exemple: la valorisation des constituants du colza et du tournesol par la société SAIPOL afin de produire des huiles destinées à l’élaboration de biodiesel ou de biolubrifiants, mais aussi pour l’alimentation (des huiles, des farines riches en protéines utilisées dans l’alimentation humaine et animale).
• les bioraffineries lignocellulosiques
  • exemple: la valorisation des constituants provenant des ressources sylvicoles (forêts), plantes herbacées (miscanthus) ou à fibres (chanvre, lin), ainsi que des ressources résiduelles provenant des secteurs agricoles, forestiers et de l’industrie papetière.

objectifs:

• valoriser l’intégralité des constituants de la plante, et ainsi valoriser les déchets et sous-produits de l’agriculture en s’inspirant du mode de fonctionnement du métabolisme cellulaire.
• utiliser de la biomasse variée afin deproduire une multitude de produits : molécules, matériaux, ingrédients alimentaires…

Définition de la biomasse:

La biomasse représente l’ensemble de la matière organique. Elle peut être d’origine animale, végétale et même fongique. Elle peut provenir des forêts, du milieu marin, d’industries produisant des co-produits, des déchets ou des effluents d’élevage.

Les avantages dans l’utilisation d’une telle source sont :

son coté  renouvelable, ce qui n’est pas le cas des énergies fossiles (charbon, gaz et pétrole) qui tendent à s’épuiser.

Dégage peu de gaz à effet de serre et réduit la teneur dans les produits finaux des molécules toxiques comme les H.A.P. (Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques), ou les dérivés de phtalates et du formol.

Rôles des biotechnologies dans le développement des bioraffineries:

utilisation des enzymes (hydrolases) pour fragmenter les macromolécules issues de la biomasse.

Les Avantages dans l’utilisation de ces enzymes sont nombreux par rapport aux procédés chimiques conventionnels:

• la biodégradation a lieu à des températures douces
• les rendements sont meilleurs
• Il y a moins de réactions parasites
• Moins énergivore
• n’engendre pas de dégradation partielle ou totale de certains constituants de la biomasse. En effet , la voie chimique peut détruire les sucres fermentescibles, xylose et arabinose, ce qui constitue une perte de valeur importante. De plus, la dégradation du xylose et de l’arabinose provoque la formation de composés furfuraux. Ces molécules sont toxiques pour les levures fermentaires qui sont utilisées lors de la conversion des sucres en bioéthanol.

Exemples:

l’hydrolyse  de l’amidon pour donner du glucose. l’hydrolyse débute par une enzyme α-amylase qui brise les liens α(1-4)glycosidiques à l’intérieur des chaînes de l’amylose et de l’amylopectine pour  donner de façon aléatoire des dextrines (les dextrines sont des glucides solubles et amorphes, de formule brute (C₆H₁₀O₅)n), des oligosaccharides et des monosaccharides. Les oligosaccharides sont hydrolysés ensuite, par la glucoamylaseou du β-amylase pour donner du glucose (hexose) et du maltose (diholoside de glucose).

l’hydrolyse de la lignocellulose en glucose. Les parois cellulaires secondaires des tissus du bois et des herbes sont composées majoritairement de cellulose (40%), d’hémicelluloses (20%), de pectines et de la  lignine. Son hydrolyse s’en trouve donc plus complexe à mettre en oeuvre.

• La  cellulase va couper en différents points les chaines de glucose liées en β(1→4) que présentent la cellulose.(schéma) Le degré de polymérisation de la cellulose varie entre 400 et 14000 en fonction des différentes espèces végétales.

La β-glucosidase finalise la découpe des fragments en molécules de glucose.

• L’hémicellulose  est un polymère branché avec différents types de sucres. Il ne contient pas que des glucoses anhydres. Il est  peut être composé de xylose, de mannose ,de galactose de rhamnose ou d’arabinose et de sucres acides comme les acides mannuronique et galacturonique. Les enzymes dégradant les hémicelluloses, comme les xylanases ou les arabinofuranosidases, possèdent un fort potentiel en tant que biocatalyseurs dans des applications industrielles. Ces enzymes sont déjà employées dans des secteurs variés comme l’industrie du papier dans l’étape du blanchiment de la pâte à papier, l’alimentation animale où elles permettent d’accroître la valeur nutritionnelle, l’industrie du vin pour favoriser la libération des arômes, etc. De plus, les hémicellulases apparaissent comme des éléments essentiels dans le futur développement de bioraffineries qui convertiront les déchets agricoles en carburant et autres produits chimiques.La xylanase est le nom donné à une classe d’enzymes qui dégradent le polysaccharide linéaire beta-1 ,4-xylane en xylose, brisant ainsi l’hémicellulose, l’un des principaux composants des parois cellulaires végétales. Les arabinofuranosidases sont des enzymes qui libèrent les résidus L-arabinoses à partir des hémicelluloses d’origine végétale: soit des homopolymères comme les arabinanes (constituants des pectines), soit des hétéropolymères tels que les arabinogalactanes (constituants des pectines), la gomme arabique et les hétéroxylanes (constituent la plus grande fraction des hémicelluloses).
• La lignine est après la cellulose, la matière organique renouvelable la plus abondante. Elle forme un réseau amorphe tridimensionnel hydrophobe complexe formé à partir de 3 unités différentes de type phénylpropane: les alcools p-coumarylique, coniférique et sinapylique. A l’inverse de la cellulose, la lignine ne comporte pas de motifs répétitifs et possède une grande diversité de liaisons intermonomères.La lignine reste hydrolysée en priorité par des traitements thermochimiques.

production par fermentation de molécules plateformes

Cette pratique nécessite l’usage de souches microbiennes.

La constitution d’une souchothéque afin d’identifier les souches microbiennes les plus appropriées  pour le développement sur certains substrats et la production de certaines molécules.

L’usage des technique de biologie moléculaire et de génie génétique afin de surexprimer les gènes d’un même micro-organisme ou de faire exprimer des gènes d’une espèce dans une autre et donc de transplanter une étape ou une nouvelle voie métabolique dans une bactérie ou une levure dont on connaît et maîtrise parfaitement le métabolisme de base.