Biotechnologie ou chimie : quelle technologie pour valoriser le végétal ?

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Installation de biotechnologie industrielle chez BASF.
Installation de biotechnologie industrielle chez BASF.

Article paru dans la revue Formule Verte n°16 / novembre 2013

Entre une chimie bien installée et une biotechnologie en plein essor, quelle technologie prendra le pas dans la transformation de la biomasse ? L’enjeu est de produire des carburants et des produits chimiques dans des versions biosourcées à des coûts compétitifs. 

La biotechnologie a depuis la nuit des temps des applications industrielles, notamment dans le domaine agroalimentaire avec la fabrication du pain ou du vin. Pour autant, les découvertes les plus significatives datent à peine d’une trentaine d’années avec le développement des outils de la biologie moléculaire et des techniques de transgénèse. Cette dernière consiste à introduire de nouveaux gènes dans des organismes vivants, donnant naissance à des OGM, organismes génétiquement modifiés. La technologie est ensuite appliquée à la biocatalyse ou la fermentation pour synthétiser des molécules d’intérêt qui entrent souvent en concurrence avec des molécules obtenues par voie chimique sur base fossile. On peut citer l’exemple de l’acide aminé thréonine d’Ajinomoto, utilisé en alimentation animale, qui est produit depuis les années 90 dans son usine d’Amiens à l’aide de E.Coli recombinant.

« Je suis dans le domaine de la biotechnologie depuis une quarantaine d’années. Mais, il y a eu une incroyable augmentation des volumes de projets. Rien que sur les quatre dernières années, les projets montés et labellisés par le pôle de compétitivité IAR ont représenté 1,4 milliard d’euros d’investissements, dont 70 % apportés par des capitaux privés. Ces montants sont dix fois supérieurs à ce que l’on a pu connaître dans les périodes antérieures », analyse le professeur Daniel Thomas.

Le gros avantage de la biotechnologie est qu’elle permet de faires des synthèses dans des conditions plus douces que la chimie, ce qui conduit souvent à des analyses de cycle de vie plus favorables au niveau des procédés. « On travaille en solution dans l’eau. La température du milieu excède rarement les 90 °C et le pH est proche de la neutralité », note Daniel Thomas. Mais si l’utilisation de l’eau comme solvant, à la place de solvants organiques, est  souvent présentée comme un avantage, il faut aussi relativiser. D’une part, parce que les solvants organiques sont plus facilement « nettoyables » par distillation par rapport à une eau polluée. D’autre part, cette biotech dans l’eau implique de travailler dans des milieux souvent dilués et qui requièrent d’imposants bioréacteurs. Ce qui rehausse les dépenses d’investissements au regard des chiffres d’affaires, à l’image de la chimie lourde, note Daniel Thomas, ainsi que des dépenses de fractionnement et de purification d’effluents. Aussi, de nombreuses recherches portent aujourd’hui sur l’intensification de ces procédés biotech en vue de travailler dans des milieux plus concentrés. Parallèlement, un intérêt tout particulier est apporté au Down Stream Processing (DSP), qui correspond aux étapes de purification de la molécule d’intérêt. L’idée est de simplifier le DSP et de réduire ses coûts. Pierre Monsan note toutefois que les productions industrielles d’acides aminés (lysine, glutamate), d’acides organiques (citrique), d’enzymes et d’antibiotiques permettent déjà d’atteindre des concentrations finales de plus de 100 à 250 g/l, ce qui assure la faisabilité économique.

La biotechnologie est fréquemment associée au thème de la chimie du végétal car elle a plus de facilité pour transformer des produits biologiques, très oxygénés, plutôt que des produits miniers (carbonates, sulfates…) ou fossiles (hydrocarbures peu ou pas oxygénés). C’est ainsi qu’on la retrouve fréquemment dans la transformation de sucres (amidon, saccharose, glucose) ou d’alcool (glycérol). Pour ce qui est des produits synthétisés, on a eu la vague de l’acide succinique et maintenant celle du butadiène. Dans le domaine de l’acide succinique biosourcé, plusieurs sociétés envisagent de se partager le marché avec de tout nouveaux procédés de fermentation. Il s’agit de Reverdia (jv entre Roquette et DSM), mais aussi Myriant, BASF et BioAmber. En France, c’est aussi la voie travaillée par les sociétés Metabolic Explorer ou Global Bioenergies qui proposent de produire de grands intermédiaires dans des versions biosourcées. Pierre Monsan, directeur du démonstrateur Toulouse White Biotechnology (TWB) à Toulouse, reste réservé sur le potentiel de la chimie du végétal et des biotech dans le domaine des grands intermédiaires, car la chimie a des positions bien établies, avec des procédés maîtrisés et des unités industrielles largement amorties. « Dans le domaine des grandes commodités, la chimie aura toujours son mot à dire », analyse-t-il. En revanche, il voit plus de potentiel sur les produits à plus forte valeur ajoutée. Pierre Monsan cite les intermédiaires chiraux, ou possédant une régiosélectivité, des molécules organiques de type acides (lactique, succinique…), diacides, aminoacides ou toutes sortes de molécules oxygénées. « Je ne suis pas partisan de la désoxygénation de la matière première végétale », ajoute également Joël Barrault, directeur de recherche CNRS à l’Institut de Chimie des Milieux et Matériaux (IC2MP) et initiateur de l’Institut de Chimie Verte de Poitiers. Les matières premières renouvelables ont un ratio C/O de l’ordre de 1. Mieux vaut garder ce ratio en l’état pour avoir de bons rendements.

L’enjeu de la deuxième génération

En parallèle, la biotech fait aussi son chemin pour un passage à des biocarburants et produits biosourcés de deuxième génération. Ce terme fait référence à l’utilisation de biomasse lignocellulosique plutôt que d’amidon, de sucres ou de huiles qui ont aussi des usages alimentaires. Le challenge est ici de déconstruire la lignocellulose, un matériau composé de lignine et de cellulose, qui s’est perfectionné au fil de l’évolution pour protéger la plante des agressions extérieures. Mais « le chemin qu’emprunte une plante pour croître, on peut l’utiliser en sens inverse pour la déconstruire, selon un principe de réversibilité microscopique », résume Joël Barrault. Pour ce faire, les experts de la biotechnologie développent des cocktails d’enzymes, capables de réaliser en cascade ces réactions de déconstruction. Si le Danois Novozymes fait figure de leader dans le domaine, la France compte aussi un acteur important avec la société Protéus, filiale du groupe PCAS. « Nous travaillons depuis plusieurs années sur ce sujet de la déconstruction de la biomasse pour obtenir des sucres fermentescibles qui seront transformés en éthanol », explique Jean-Marie Sonet, directeur général de PCAS Biosolution et co-fondateur de Protéus. « L’enjeu est d’arriver à proposer des cocktails d’enzymes qui permettent de réduire les coûts de production d’éthanol », ajoute-t-il. Pour ce faire, Protéus s’est appuyé sur sa collection de souches extrêmophiles, « la plus importante au monde ». En partenariat avec l’IFPEN, Protéus a même développé des mélanges d’enzymes permettant d’améliorer la productivité d’un facteur 4. Jean-Marie Sonet ajoute que, pour des raisons de coûts, il est plus avantageux dans ce domaine des biocarburants, de faire de l’évolution dirigée pour construire des souches produisant directement des « cocktails » d’enzymes adaptées aux procédés plutôt que de produire séparément les différentes enzymes nécessaires et composer de tels cocktails par mélange.

Mais sur ce sujet de la biomasse cellulosique, la chimie revient en force. Joël Barrault explique que la difficulté que les chimistes rencontrent avec les produits lignocellulosiques est qu’ils sont très hétérogènes et difficiles à solubiliser pour envisager de les transformer par la suite à l’aide de catalyseurs. D’où l’idée de réaliser des traitements physiques de cette lignocellulose, notamment pour supprimer les liaisons hydrogènes qui assurent la cohésion de la cellulose ainsi que certaines liaisons éther. Joël Barrault cite des travaux que son équipe a réalisés en partenariat avec d’autres partenaires dont l’Inra où un prétraitement par broyage a permis de réaliser une solubilisation partielle, voire totale, de la cellulose. La méthode brevetée est prête à être industrialisée. D’autres types de traitements ont été étudiés : plasma, ultrasons, micro-ondes. Tous offrent un accès à la solubilisation de la matière première pour envisager ensuite une dépolymérisation ou une fonctionnalisation de la cellulose par voie chimique. « L’étape de fractionnement qui nous posait problème est en train de se régler. Et pour ce qui est des étapes de transformations ultérieures, nous obtenons des rendements en produits recherchés de 80 à 95 % pour beaucoup de réactions », ajoute Joël Barrault. Au final, en traitement de la biomasse lignocellulosique, les deux voies, biotech et activation physique et chimique, devraient donc se développer en parallèle.

Le potentiel de la lignine

Mais si la cellulose est en passe d’être exploitée, quid de la lignine qui est uniquement valorisée sous forme énergétique ? « Sur le papier, la lignine contient des composés polyaromatiques qui ont du potentiel. Mais le sujet est plus complexe que celui de la cellulose car il est difficile d’accéder à des fractions bien définies de lignine », estime Joël Barrault. Pour l’heure, la stratégie de dépolymérisation de la lignine semble hasardeuse car les monomères obtenus peuvent se repolymériser avant même d’avoir été isolés. Du coup, on essaie plutôt de faire du fractionnement en coupes de lignines en vue de les utiliser pour leurs propriétés mécaniques ou autres, par exemple en mélange avec d’autres polymères. « Des verrous chimiques restent encore à lever », estime cependant le directeur de recherche.

Il ne faut pas oublier qu’il existe une autre voie chimique pour traiter de la biomasse, c’est la voie thermochimique. Elle consiste à transformer une ressource organique en gaz de synthèse (principalement CO+H2) par un chauffage à haute température (jusqu’à 1 000 °C). Aujourd’hui, la technologie est en phase pilote en France, dans le cadre du projet BioTfuel qui rassemble des organismes de R&D, IFPEN et CEA, et les industriels, Axens, Sofiprotéol, Total et Uhde. Le procédé final comprend l’étape de gazéification puis une étape Fischer-TropschTropsch pour produire du biocarburant. Mais on peut tout aussi bien envisager une fermentation du monoxyde de carbone pour produire des produits chimiques. Daniel Thomas fait état d’une autre voie qui prend de l’importance, celle des huiles de pyrolyse ou bio-huiles. Cela consiste à faire une pyrolyse rapide de biomasse autour de 500 °C pour obtenir une huile, correspondant à un mélange complexe de composés oxygénés. Utilisées au départ comme carburant dans des turbines à gaz, ces huiles sont désormais étudiées en fermentation pour produire des biocarburants ou des produits chimiques biosourcés. On pourrait également citer le cas de l’hydrolyse supercritique, méthode de solubilisation de la biomasse développée notamment par la société Renmatix, dans laquelle BASF a investi. L’inconvénient de ces méthodes est qu’elles réclament beaucoup d’énergie. Ne s’éloigne-t-on pas des principes de la chimie verte ?

Biotech et chimie jouent la complémentarité

Finalement, « chacun utilise les outils qu’il maîtrise. Les chimistes font de la chimie et les biologistes de la biologie. Il est rare d’avoir les deux compétences au sein d’un même laboratoire et ou d’une même entreprise », analyse Pierre Monsan. Pour autant, la tendance est de faire tomber les barrières. Les chimistes commencent à montrer un intérêt pour la biotechnologie en investissant dans des petites entreprises ou dans des projets collaboratifs. « La culture hydrocarbures des chimistes s’estompe parmi les chercheurs », observe Daniel Thomas. « Il faut prendre la chimie et la biotech comme des boîtes à outils. Plus on a d’outils et plus on résout de problèmes », ajoute Pierre Monsan qui est pourtant un ambassadeur de la biotech. « Un groupe de chimie qui n’aurait pas aujourd’hui d’investissements dans les biotechnologies commettrait une erreur stratégique fondamentale. Au TWB à Toulouse, nous travaillons déjà en partenariat avec les laboratoires académiques LGC et LCA et nous accompagnons justement des grands chimistes comme Total et Solvay dans cette démarche d’ouverture vers les biotech », explique Pierre Monsan. À travers l’acquisition de Protéus, PCAS n’a beau être qu’une ETI de 170 M€ de chiffre d’affaires, elle s’est clairement engagée dans cette voie. « La chimie a beaucoup progressé avec l’usage des catalyseurs, mais la biochimie peut apporter des améliorations impressionantes avec les biocatalyseurs modifiés par ingénierie génétique », estime Didier Schneider, directeur chimie fine de PCAS. « Le futur sera mixte car chaque produit est un cas d’espèce ». Et Joël Barrault d’ajouter : « Il faut continuer à travailler sur les deux voies. Il y a des exemples où la voie biologique marche très bien comme avec la production de 1,3-propanediol à partir de glycérol. Mais dans d’autres cas, on n’y arrivera pas ». Si, aujourd’hui, l’attention semble se focaliser autour de cette biotechnologie en plein essor au regard d’une chimie plus mature, Pierre Monsan souligne qu’il ne faut pas tomber dans le travers de « l’acharnement thérapeutique ». Pour Daniel Thomas, la complémentarité de la chimie et de la biotech est finalement la seule conclusion qui s’impose. La mise en œuvre de catalyseurs multifonctionnels (chimique et enzymatique) pourrait présenter un grand intérêt pour la réalisation de réactions en cascade avec une grande sélectivité, note également Joël Barrault. Même si in fine, c’est l’analyse économique des procédés qui finit toujours par l’emporter.

Interview de Luc Avérous, professeur et leader d’un groupe de recherche (BioTeam) à l’ECPM, au sein de l’Université de Strasbourg. Focus sur les biopolymères.

Formule Verte : Entre chimie et biotech, quelle est la technologie dominante dans le domaine des biopolymères ?

Luc Averous : On observe de plus en plus souvent la combinaison des deux technologies. Si l’on prend l’exemple du PLA, l’acide lactique est produit par biotechnologie et l’étape de polymérisation se fait par voie chimique. C’est le modèle le plus répandu. On fabrique des synthons par voie biotech. On les polymérise ensuite par voie chimique. Dans le domaine des polymères, il faut retenir que l’enjeu est aujourd’hui sur la fabrication de synthons originaux. L’étape de polymérisation par voie chimique est relativement bien maîtrisée.

Formule Verte : A-t-on recours à la biocatalyse pour l’étape de polymérisation ?

Luc Averous : Il est intéressant d’utiliser des catalyseurs enzymatiques pour faire des polymères car cela permet de s’affranchir de l’usage de catalyseurs à base de métaux lourds. Dans mon laboratoire, nous explorons l’utilisation d’enzymes, comme les lipases, pour produire des biopolymères qui sont utilisés pour des applications biomédicales, un domaine où l’on cherche à s’affranchir de l’usage de métaux lourds toxiques pour l’organisme.

Formule Verte : Peut-on obtenir des polymères directement par voie fermentaire ?

Luc Averous : On peut citer le cas particulier des PHA (Polyhydroxyalcanoates), qui sont souvent pressentis comme des successeurs au PLA. Ces biopolymères sont effectivement obtenus à 100 % par voie biotech. Ce sont des polymères de réserve que l’on retrouve dans de nombreuses bactéries comme source de carbone et d’énergie. Cependant généralement par voie fermentaire, on obtient des monomères ou des synthons, à partir desquels on va construire par synthèse des polymères.

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