22 mars 2012

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

2. QUESTION FONDAMENTALE ? Sera-t-il possible de remplacer le baril de pétrole par la biomasse dans l’économie de demain ? - Population mondiale en croissance ! - Maintenir notre niveau de vie ?

3. Quelles sont nos chances ?

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

5. Carburants 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 ?

6. BIOCARBURANTS IMMENSE DÉFI ! • IMMENSE POTENTIEL: • Fermentation microbienne • Enzymes

7. biochemical routes Anaerobic digestion Fermentation derived applications Dark fermentation, bioelectrolysis CH4, CO2 EtOH ButOH H2, CO2 Biofuels projects Targets 90% Water content 15% Biomass Wet / Dry / thermochemical routes Pre-treatment, extraction Pyro-lysis Gasifi-cation Incine-ration Transesterification syngas: CO, H2 CO2, CH4 CO2, heat oil, char gas, CO2 Biodiesel Carboxydotrophic bioconversion H2, CH4, n-butanol

8. BIOCARBURANTS de 1ère génération: • Éthanol à partir de céréales ou de sucres • Biodiésel (à partir d’huiles 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) Bioéthanol Levure (Brésil: 31 milliards de litres, 2010)

10. Bioéthanol (6) autos dans le monde ! 800 x 10 1000L bioéthanol/auto/année ! (9) 800 x10 litres/année ! (9) 78 x 10 (2010) États-Unis + Brésil =

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

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

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

14. 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``

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) Éthanol (2 carbones) vs. • Plus d’énergie 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 Levure Un autre résultat du génie métabolique !

20. Green Biologics Butanol Acetone Éthanol Clostridium Sucres (flexibilité)

21. BIOCARBURANTS de 3e 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: Isopropanol Dérivés du butanol Génie génétique Microdiésel E. coli Acides gras Terpènes Génie métabolique Biologie synthétique

24. 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.

25. 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’’)

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

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

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 ! Transestérification Extraction Microalgues (systèmes ouverts) Esters d’acides gras Huiles Hydrogénation Biokérosène (jets)

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

31. Pétrole & Gaz naturel EN RÉALITÉ ! Présentement Amidon Hémicelluloses Cellulose Lignine Huiles Protéines 30-35 blocs ‘’Lego’’ chimiques Produits chimiques d’aujourd’hui Demain ? Biomasse Inspiré de: Rapport du DOE, 2004 (Etats-Unis)

32. 30-35 blocs ‘’Lego’’ Hydrogène Acide succiniqueAcide 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-proprionateAcide lévuliniqueAcide férulique Acide maliqueAcide xylonique Acide acrylique Sérine Xylitol/Arabitol Acide adipique

33. Acide lactique • Acide lactique ``bio``: • Un des premiers grands succès de • la biotech indstrielle • Cargill Co. (viaNatureWorks Inc.) est le joueur • le plus connu (Nebraska, usine de 140,000 t/an) Alimentation Pharmacie Acide lactique Acidulant Plastique (PLA) Pesticide/autres

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

35. Acide succinique • Pour: • PBS • PBT • Polyuréthanes • Fibres Spandex • Etc

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

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

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

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

40. EXEMPLES DE TRAVAUX RÉCENTS - Collègues de l’IRB-CNRC - Ceux de mon équipe

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

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

43. Gasification/Steam reforming « Green »Methanol PHB induction phase Nitrogen limitation Nutrionally happy PHB granules Biomass (50% PHB) Pure biopolyester HCD Production Capabilities 50 Kg Polyester/run (Pilot Scale) 150-1500 L Fermenters PHB [poly(3-hydroxybutyrate)] • PHBV and Functionalized PHAs • Tailor-made PHAs achieved by • nutritional and/or molecular means • 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 • Source of hydroxy fatty acids for enzymatic production of biopolyol-type hydroxy glycerides Products: biopolyol-based polyurethanesfor automotive, construction, and aerospace applications Products: biocomposites, technical fabrics for construction and automotive applications

44. ÉTAPE PRÉ-COMMERCIALISATION: • Projet fait partie d’un 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 2011. Triticale L(+)-Acide lactique - Bioréacteurs de 2L Farine brute Oui ! Rhizopus oryzae NRRL 29086 - 0.87 g sur g Farine semi-purifiée

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

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

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

49. Power source + – H2 Substrate CO2 Microbial electrolysis cell (MEC) → bioelectrosynthesis → electrofuels Biomasse (déchets) • CO2 + e− + H+ → CH4 CH4 • Acetate + e− + H+ → Ethanol • Butyrate + e− + H+ → Butanol CH3CH2OH CH4 H2 H2O e- CO2 CH3COOH (catalytic, Pd/Pt)

50. Power source + – H2 Substrate CO2 Microbial electrolysis cell (MEC) → biohydrogen H2 H2O • H2 production : > 6 LH2/LA•d • Energy cost : < 1/3 of that of water electrolysis e- (catalytic, Pd/Pt) 2 électrons + 2 protons = Hydrogène