Ingénierie des Systèmes Biologiques et Procédés UMR INSA CNRS 5504 INRA 792 Biomasse / Biocatalyses/Biotechnologies Blanches Production de molécules à usages énergétiques S. Alfenore, C. Bideaux, X. Cameleyre, S.E. Guillouet, J.L Uribelarrea, C. Molina-Jouve, G. Goma Equipe de Génie Microbiologique : Analyse systémique et Innovation en Procédés Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 135 avenue de Rangueil – 31077 Toulouse cedex 4 – Tel : 05.61.55.94.05– Fax : 05.61.55.99.00- www.insa-toulouse.fr 1 Les générations d’Agro-carburants 1° Génération :les classiques ;H2,bio-éthanol, esters méthyliques d’huiles végétales ex substances de réserve des plantes ,le biogaz, La technologie tire t elle le meilleur parti des micror-ganismes ? 2° Génération :les mêmes molécules mais on utilise l’ensemble de la plante La ligno cellulolyse : son cout ,ses marges de progrès ,la fermentation des C5 3° Génération : mêmes matières premières+ résidus(ex glycérol), molécules ou « mix » nouveaux (exemple: bio kérosènes) Les nouvelles frontières de la propriété intellectuelle et les nouveaux acteurs Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 2 Stratégie équipe :observer/quantifiermodéliser/prédire/Valider expérimentalement. 1° génération : fermentation alcoolique exploiter le potentiel optimal des levures par les couplages génie réacteurs/ génie de la réaction biologique/biologie systémique et holistique 2° génération: matière première pailles et ligno- celluloses : évaluation des enzymes de performances, exploitation du savoir faire global papetier :prétraitement /bilan énergétique et environnemental 3° génération :production d’huiles d’organismes unicellulaires/modulation de lipogenèse microbienne/bio technologies blanches et syntons à valeurs d’usage énergétique Nb les 3 générations sont « solidaires » Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 3 Des micro-organismes et de la biomasse La dis mutation par voie microbienne des molécules issues de la biomasse en molécules réduites et oxydées se fait avec un rendement supérieur à 90% Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 4 Filières biotechnologiques Agriculture Plantes Bioconversion CO2 (?) Biocarburants Résidus ) Coût matière première ) Coût des CP ) Amortissement ) Investissement ¾Revenus énergie ¾ ¾ Résidus valorisables Résidus à considérer valoriser ª Aux USA Pour 1 US $ de grain, 3 US $ éthanol et résidus Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 5 Deux « MILESTONES » 1°Des sources de carbone fermentescibles très bon marché 2° une stratégie Produit(s)/co produits et « bio- raffinerie » Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 6 3 chiffres clé au plan mondial 2005 Consommation d’énergie 10,3 109 tep (15 109 en 2020) Production de l’agriculture ªVocation alimentaire ªVocation non alimentaire 3 109 tonnes 2 109 tonnes ) N.b. : 1- Ce dernier chiffre est en constante progression. Dans les pays du G8 le ratio VANA/alimentation augmente (les Etats-Unis sont moteurs) 2- Dans les pays en voie de développement Î 75% de la population consomme 35%Orleans de la demande 23 11 2007 7 GDR Combustion Soleil et végétal : accumulation annuelle (planète) Biomasse terrestre:20 milliards de T de C Biomasse marine:15 milliards de T de C Pour mémoire : consommation d’énergie:10,3 milliards de TEP,production agricole 5 milliards T / Question : sur ces 35 milliards de t C peut on en capter 3,5 : 1,5 pour l’alimentation humaine,2 pour le non alimentaire ? Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 8 De la plante à la molécule pour une voie d’usage définie Biologie végétale néo matières premières Bioconversion Quelle molécule ? Quelle souche ? Quelle enzyme ? Quelle voie synthétique ? Quel procédé ? Collaboration: concepteur -Applicateur- utilisateur Quel portrait robot de carburant « idéal » (3° génération) ? Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 9 Industrial (White) Biotechnology Biofuels Biomaterials Biochemicals Sugars Cell factories Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 10 Green biotechs Intersections on technology and economicals fields White biotechs Red biotechs Agro-food biotechs Generic technology 9 Synthetics pathways 9 Biocatalysis engineering 9Bioprocessing Basic knowledges 9 Focused on life sciences … engineerig sciences biomathematics physics Orleans 23 11 2007 Combustion 9 Economy,GDR sociology, ... 9Up steam/Down stream 11 Stratégie biocatalyseurs Diversité Diversité Naturelle des des Naturelle Eco-systèmes Eco-systèmes Gènes* Gènes* et fonctions fonctions et screening screening Screening 99Screening Ingéniérie 99Ingéniérie métabolique* métabolique* Immunologie 99Immunologie Evolutionmoléculaire moléculaire 99Evolution accélérée accélérée Stratégie bioprocédé Matières Matières premières premières Production-formulation Production-formulation Bioprocédés »» «« Bioprocédés Stratégie produits/co-produits Besoins Besoins Co-produits Co-produits accroîtreleur leur accroître plusvalue value plus Biomolécules Biomolécules *Orleans e.biotechnologies en ingénieries concourantes 23 11 2007 GDR Combustion 12 Interface de la cellule et échanges le système protéique es Système génomique ; e es s èm èm e st st èm sy es sy yst ue èm t d e e s t q s ys ce s d tan » an n a ss tio en r ai ac e inf n n er s m ’« Co int ani d é r g tu -o ti ro ns ic co m Le biotope biotope du du Le système microbien microbien système crée un un crée environnement; environnement; en soi soi ,, «« en un système système »» un Système d’échanges Système métabolique Le microorganisme est un système biocatalytique évoluant dans un système t Système: d’adaptation et de défense « interactions de systèmes et hiérarchies » Biocatalyse enzymatique Biocatalyse microbienne Combustion « impact GDR socio-économique » Orleans 23 11 2007 13 Integration…Engineering ...Science Fermentation and physiological and metabolic engineering, Science of micro-organisms : Microbiology Enzyme engineering, Enzymology, protein engineering Bio separation engineering Molecular recognition and bioaffinities Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 14 Questions scientifiques substrats lignocellulosiques Glycérol, résidus Inhibition furfural HMF Prétraitement Sélection/construction de souches Stratégie de milieu Procédés Fermentation Scale up Modélisation Intensification Simulation Procédés innovants Minimisation des co-produits Optimisation Valorisation C5 Cultures mixtes Outils de changement d’échelle Orleans 23 11 2007 15 GDR Combustion Des parois Guangue s e C5 d’hémicellulo Blé maïs colza ? Fibres de cellulose Rigidification de la structure par la lignine Ligno celluloses Orleans 23 11 2007 GDR Combustion Substan ces de réserve Saccharose amidon corps gras/lipides inuline ... Travail des graines ou tubercules 16 Vers un concept de BIORAFFINERIES Complémentarité Agro-alimentaire /non alimentaire,Biotechnologies “blanches” Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 17 Du concept de bio raffineries Une vision « système »globalise et valorise le cycle du C en respectant le Cycle N et P Du renouvellement du potentiel de la méthanisation:CH4(CH3OH);H2; acidogénèse et cétones carburants(Kolbe ou Sabatier Senderens) Le potentiel métabolique des microorganismes permet de produire des syntons à nombre de carbone choisis comme dans les raffineries pétrolières La biologie « post génomique » permet de concevoir de nouvelles voies métaboliques et de les synthétiser (synthetic biology) Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 18 raffinerie Bitumes hydrocarbures Produits essence complexes diesel Pétrole H2 C1 C2 C3 C4 C5 C6 ex •ethylène •propène •butane •hexane coupes •éthanol •propane- •butanediol diol •benzène Aromatiques Alcanes Bio Biopolymères, xanthane, dextrase Produits complexes Agro ressources H2 C1 C2 C3 C4 C6 •acide •éthanol •propanol •butanol •glucose formique •acide •propanediol •butanoique •fructose acétique 1.3 •butanediol •a.gluta1.2 mique coupes •a.malique •propanoique •... •a.succinique •acétone •… •acide lactique C7 •Acide parahydroxybenzoique •... Energie voie sèche et humide carburants C8 •butyl butyrate •phenyl éthanol Colorants Tensio-actifs •pyruvique Matériaux •glycérol produits complexes •... Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 19 Le concept de bio-raffinerie Cycle du carbone Biomasse Recyclage mineral Nouvelles productions vˇgˇtales Productions vˇgˇtales conventionnelles Fuel, Chaleur et nouveaux bioproduits Le concept de bioraffinerie-Genencor, 2003 Co-produits Dˇchets Energies fossiles agricoles Produits Energie, Alimentation humaine et animale Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 20 Agro carburants de 1° génération Force: technologie mature et KISS Les acquis:prérequis pour les procédés de 2°et 3° génération Faiblesse: peut et doit mieux faire: Menaces perte de savoir faire et approvisionnement USA,Bresil,,, Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 21 FERMENTATION KINETICS MODELLING : PARAMETERS ENZYMATIC KINETICS MODELLING Biotechnology and Bioprocess Laboratory UMR 5504 INSA Toulouse 140 [glucose] in g/L Biotechnology and Bioprocess Laboratory UMR 5504 INSA Toulouse 160 120 100 80 [glucose] in g/L 60 60°C 40 30°C 50°C 40°C 20 Time (h) 0 0 10 20 (K t.θ) V(S,θ)=Vmax. S . ki .e kS +S ki +Glu 30 Ks Kt Ki Vmax Vman /µL 40 50 44.5657 0.0692 60.4159 0.9525 0.0023814 Appui scientifique et technique : ModProBio simulation. Coll. CRITT Bio-Industries. OPTIMIZATION : PROCESS FLOWSHEET Orleans 23 11 2007 GDR Combustion Biotechnology and Bioprocess Laboratory UMR 5504 INSA Toulouse Biotechnology and Bioprocess Laboratory UMR 5504 INSA Toulouse KINETICS : BATCH PROCESS SIMULATION 22 Construire des biocatalyseurs : exemple levure « idéale » pour les biocarburants Hyperlevure Nutrition Stress ATP Glucose6-P Pentose P Fructose-P ATP + NADH,H ATP + NADH,H ATP Glycerate3P Erythrose4P + NADH,H + H 0+4H 2 NAD FADH2 1/2 O2 + H 0+2H 2 PEP FAD ATP HS-CoA + NADH,H CO2 CO2 Acetyl CoA Acétate HS-CoA OAA + ATP NADPH,H ANABOLISME IsoCitrate Fumarate ontaminations GTP SH-CoA Ethanol ATP Citrate Malate + NADH,H FadH2 Succinate 1/2 O2 3 H+ ATP Pyruvate ATP CO2 glycerol GlycerolP TrioseP Sedoheptulose7 P + NADPH,H CO2 Fermentation des pentoses Glucose + NADPH,H 2 CO2 SH-CoA a Kglu Suc-CoA CO2 + NADH,H + NADPH,H CO2 Génie métabolique Génomique fonctionnelle CO2 + NADH,H Aptitudes hydrolytiques ª Le Le super super biocatalyseur biocatalyseur Orleans 23 11 2007 ª GDR Combustion super levure levure «« super »» Génie génétique DNA shuffling 23 Agro carburants de 2° génération Nécessité d’enzymes hydrolytiques de performances pour ligno celluloses prétraitées Carbone fermentescible très bon marché Co fermentation et hydrolyse Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 24 Verrous 9 Connaissance des processus élémentaires d’hydrolyse,efficience des enzymes et utilisation des C5 9 Modulation des propriétés des plantes pour des utilisations énergétiques: synergie biotech. blanche et verte 9 Orthogonalité de la maîtrise de la ressource et de la transformation/utilisation/distribution des produits 9 Perception du public 9Une exigence pour le concept de bio raffineries Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 25 Agro carburants de 3° génération Nouvelles matières premières Nouvelles molécules carburant :cas de bio kérosènes Nouveaux acteurs et nouvelles frontières de la PI Attention à la « driving force » génie des procédés Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 26 De nouveaux entrants technologiques et financiers Les outils développés par les « global players » des industries de santé investissent dans les biotechnologies blanches(ex. Craig Venter) entrainant une synergie bio technologies blanches et rouges Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 27 Quelques pistes de candidats « bio kérosène » Acides gras C8/C18 Greentech Isoprénoides Amyris Octanols Huile de babassu Butyrate butyle , LS9(«+ biocrudes ») Codexis Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 28 Une chaine de développement avec des échanges Concepteurs: nouveaux bio kérosènes Développeurs: procédés d’élaboration aux spécifications Applicateurs: portraits robots des molécules ou mélanges souhaités Voir projet Alfa Bird(UE) et Calin(FUI) Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 29 Quelques contributions du LISBP Structure et stratégie Ruptures et faits marquants Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 30 Partenaires Industriels dans le domaine: Airbus, ARD, DSM, Genencor/Danisco, Institut du Pin, Lesaffre, Maguin Interis, Safisis, Tate&Lyle, Tembec Partenaires académiques dans le domaine : National : IMFT, LAAS, IRIT, LCA, LMGM, IR2B International : MIT USA, TU Berlin, Allemagne, IU Vera Cruz, Mexique, INSA Tunis, TUNISIE, ITB Bandung, Indonésie, Université de Wuxi, CHINE, FSA gembloux, BELGIQUE Orleans 23 11 2007 31 GDR Combustion Soutien Ademe, CNRS, INRA, ANR, AIRBUS Ingénierie des Systèmes Biologiques et Procédés LISBP : 180 Personnes. 5 groupes de recherche interactive Biocatalyse P Monsan Systèmes Physiologie et métabolisme microbien microbiens et bioprocédés EAD M.Remaud Catalyse et ingénierie enzymatique moléculaire . JL Uribelarrea ND Lindley EAD L Girbal Ingénierie métabolique évolution moléculaire in vivo des procaryotes EAD P.Loubière Génie du métabolisme procaryotes EAD JM.François Physiologie moléculaire eucaryotes EAD E Paul Génie des Réacteurs Biologiques EAD C Molina-Jouve Génie Microbiologique, analyse systémique et innovation des procédés EAD JC.Portais Dynamique des systèmes métaboliques Transfert, interface, mélange P Schmitz EAD P Guiraud Transfert, Interface,Mélange Séparation, oxydation, procédés hybrides C Cabassud EAD C Cabassud Séparation, oxydation et procédés hybrides 1 structure de transfert: CRITT-BioIndustries-CRT (INSA-SAIC) Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 135 avenue de Rangueil – 31077 Toulouse cedex 4 – Tel : 05.61.55.95.13 – Fax : 05.61.55.99.00- www.insa-toulouse.fr 32 Ingénierie des Systèmes Biologiques et Procédés Conception des nouvelles enzymes Au cœur du dispositif 4 plateformes Plateforme Genopole Biopuces Plateforme Nouvelles synthèses enzymatiques Enzymes Contrôle performantes diagnostic Génie enzymatique contact: Céline Declerq Tél: 05 61 55 96 87 celine.declerq@insa-toulouse.fr http://www.biopuce.insa-toulouse.prd.fr Ingénierie enzymatique moléculaire Plateforme Production d’actifs biologiques contact: Alain Guibert Tél: 05 61 55 94 37 alain.guibert@insa-toulouse.fr Profils d’expression génique Génie microbiologique Phénotypes ss contraintes de production Cartographie métabolique ICEO* contact: Pierre Monsan Tél: 05 61 55 94 15 pierre.monsan@insa-toulouse.fr http://www.insa-toulouse.fr/lbb/iceo Micro-organismes performants Plateforme Métabolome-Fluxome contact: Jean-Charles Portais Tél: 05 61 55 96 89 portais@insa-toulouse.fr Orleans 23 11 2007 GDR Combustion Fonctionnalité des réseaux métaboliques Ingénierie métabolique Génie génétique 135 avenue de Rangueil – 31077 Toulouse cedex 4 – Tel : 05.61.55.94.47 – Fax : 05.61.55.99.00- www.insa-toulouse.fr 33 Améliorer la rentabilité de la filière bio-éthanol dans un concept de bioraffinerie Saccharomyces cerevisiae C6H12O6 + X Ö 2 C2H6O + 2 CO2 + X 9de nouvelles filières d’approvisionnement : bois et paille de blé 9la diminution des coûts par - l’intensification des productions : des ruptures technologiques - la minimisation des co-produits (glycérol) - la valorisation des pentoses Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 34 Démarche : expérimentation modélisation prédiction validation ESPACE 7000 400 6000 350 300 5000 250 4000 200 Biomasse Viable (g) Glucose (g) Ethanol (g) Cinétiques macroscopiques Biomasse (g) Trois niveaux d’observation cinétique 3000 150 2000 100 1000 50 0 0 5 Analyses microscopiques 10 15 20 25 30 35 40 45 0 50 Temps (h) Analyses moléculaires Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 35 TEMPS Génonique Fonctionnelle Génie des Procédés Souches sélection et amélioration Phénomènes limitants Réponses moléculaires PROCEDE Bioréacteur, Procédés séparatifs Transferts, Contrôle, régulation ? νp (Xviable) YSP (P) ∆H Génie Nutritionnel Génie Microbiologique Définition du milieu minéral. Source d’azote, Nutrition vitaminique Orleans Cinétiques, croissance-mortalité-production cellulaires limites 23Densités 11 2007 36 GDR Combustion à partir de la maîtrise du comportement microbien 1. Définition de stratégies pour l’obtention de très hautes performances 400 6000 350 300 5000 250 4000 200 3000 150 2000 100 1000 Biomasse Viable (g) 7000 Biomasse (g) Glucose (g) Ethanol (g) Fed-batch Paramètres Performances Durée (h) 45 Titre Final Alcool YPS 147 g/L 19 °GL 0.42 50 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 50 Temps (h) Production de saké 20°GL en 20 jours Perf industrielle 2 à 5 kg/m3/h à 10°GL Productivité globale. Productivité instantanée 3.1 kg/m3/h 9.5 kg/m3/h Des potentialités du biocatalyseur … Aeration strategy: a need for Very High Ethanol Performance in Saccharomyces cerevisiae fed batch process. Applied Microbiology and Biotechnology, 2004, 63, 537-542,., S. ALFENORE, X. CAMELEYRE, L. BENBADIS, C. BIDEAUX, J.-L. URIBELARREA, G. GOMA, C. MOLINA-JOUVE, S.E. GUILLOUET Improving the ethanol production and viability of Saccharomyces cerevisiae by vitamin feeding strategy during fed-batch process. Applied Microbiology and Biotechnology, 2002, 60, 67-72, ALFENOREOrleans S., MOLINA-JOUVE 23 11 2007 C., GUILLOUET S., URIBELARREA J.L., G GOMA., 37 BENBADIS L. GDR Combustion Synergistic temperature and ethanol effects on yeast dynamic behaviour in ethanol biofuel production , Bioprocess and Biosystem Engineering, 2004, 26:217-222, A.S ALDIGUIER, S. ALFENORE, , X. CAMELEYRE, G. GOMA, SE GUILLOUET, JL URIBELARREA, C. MOLINA-JOUVE 9Minimisation de la production de glycérol en fermentation éthanolique : maîtrise des flux et de leurs distributions Modélisation prédictive, génie génétique, métabolique et microbiologique PAI Procope 2005-2006et P2R 2007-2009 (Université Technique Berlin) Partenaire industriel DANISCO/ GENENCOR Pôle de compétitivité « Industrie et Pin Maritime du Futur » Souche sauvage /2 aérobie et /4 micro aération Souche génétiquement modifiée : production glycérol nulle mais tolérance éthanol réduite Doctorant J. Pagliardini Resp. C. Bideaux et SE Guillouet Minimization of the glycerol production during high ethanol performance fed-batch process in Saccharomyces cerevisiae using a metabolic model as prediction tool. Orleans 23 11 2007 38 Applied and Environmental Microbiology, 2006, 72(3), 2134-2140 GDR Combustion C. BIDEAUX, S. ALFENORE, X. CAMELEYRE, C. MOLINA-JOUVE, J.-L. URIBELARREA, S.E. GUILLOUET. Génie microbiologique :augmenter la concentration en biocatalyseurs X g/L 2 1 X Limit (Batch, Fed Batch…) time Très haute concentration en cellules Quel comportement cellulaire en haute densité?Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 39 à partir de la maîtrise du comportement microbien (P) = νp.[X]active 2. Innovation en Bioprocédés : le BBRC Qwater Qmedium Qglucose Q21 Q1 CO2 Qp O2 X X2, Xv2, PP2, S2 X1, Xv1, P1, S1 Air - [EtOH] < 60 g.L-1 Q23 Q12 Qb R1 : réaction de croissance - Aération Q32 Viabilité R2 : réaction de production d’éthanol -[EtOH] < 120 g.L-1 - [X] < 250 g.ms.L-1 - substrat, milieu and vitamines apports - Micro-aeration Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 40 Résultats expérimentaux : hautes densités cellulaires • en mode continu et en régime permanent : [Xtotal] = 220 gms.L-1 • Saccharomyces cerevisiae CBS 8066 R2 Evolution de X, S P dans R2 (12/2003) 140 1.2 120 1 100 0.8 80 0.6 60 0.4 40 0.2 20 0 0 0 50 DO Aldiguier A.S., 2006 100 150 GlucosTemps e_HPLC (h) Ethanol 200 Viability Concentrations(g.L-1) • Volumes : Réacteur 1 : 1.5l (ou 4l) Réacteur 2 : 8l , 2 ultrafiltration 150 kDa, 0.155 m2, milieu minéral, T° (30°C), pH (4). Biomasse Ethanol Glucose Viabilité 250 Viabilite Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 41 hydraulic energy per permeate unit Résultats expérimentaux : considérations énergétiques 18 Wt Membrane flux 3 kWh.m kWh.m-3 -2 J m .m .s -1 3 16 1,E-05 9,E-06 8,E-06 14 Þ J 12 7,E-06 6,E-06 10 5,E-06 J constant 8 4,E-06 6 3,E-06 4 2,E-06 2 [X]totale g.L-1[X] g.L -1 0 0 50 100 150 200 1,E-06 0,E+00 250 [X]total > 150 g.L-1 [X]total < 150 g.L-1 J Þ 50% and Wt ~ 1.8 kWh.m-3 J ~ 6. 10-6 m3.m-2.s-1 and Wt Ü exponentiel -1. [X]totalOrleans optimum = 150 gms.L 23 11 2007 Aldiguier A.S., 2006 GDR Combustion 42 Résultats expérimentaux : hautes productivités Régime permanent : 12.5 *tps de séjour hydraulique Xt2 = 157 g.L-1 viabilité 42% -1)-1) (g.l XX , XXv2, (g.l (g/l) Xt2, Xt2, ,v2P, P2P2, S2S2 t2v2 2,, S 2 (g/l) 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 [ETOH] 2= 65 kg.m-3 [Glucose]2 < 2 kg.m-3 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Time (hours) Temps (h) Temps (heures) R2 : Productivité : 41 kg.m-3.h-1 = 8 - 20 * productivité moyenne industrielle : 2 – 5 kg.m-3.h-1 YETOH/Glucose = 0,44 g/g Dans le procédé Productivité : 28.5 kg.m- 3.h-1 = 6 - 14 * productivité moyenne industrielle : 2 – 5 kg.m-3.h-1 YETOH/Glucose = 0,41 g/g Very high ethanol productivity in an innovative two-stage bioreactor with cell recycle Bioprocess and 43 Orleans 23 11 2007 GDR Combustion Biosystems Engineering, 2006, 29(1),49-57 CHAABANE F., ALDIGIUER A.S., ALFENORE S., BLANC P.J., CAMELEYRE X., BIDEAUX C., GUILLOUET gaz ANR Programme Blanc IdyBioPBioP Medium So Q 2-1 vitamins R2 R1 X 1 P 1 S 1 UF X P S 2 2 2 Qpermeate Q 1-2 O2 Pe rsp e gaz Medium So QBleeding cti ve s Impact du CO2 Q 2-1 vitamins R2 R1 X 1 P 1 S 1 UF X P S 2 2 2 Qpermeate Q 1-2 O2 Viabilité = 100% QBleeding contrôle activité P = 110 kg.m- 3.h-1 Doctorante Y. Gonzales Resp. S. Alfenore et G. Goma Orleans 23 11 2007 GDR Combustion [Ethanol] = 65 kg.m-3 44 ANR Blanc IdyBioPBioP Scale-up : développement d’outils de changement d’échelle Doct. S. Sunya Resp. N. Gorret et C. Molina-Jouve Microréacteur + Couplages Phénomènes biologiques Orleans 23 11 2007 PhénomènesGDR physiques Combustion 45 Production par des levures oléagineuses de molécules à usages énergétiques et/ou précurseurs de synthèses chimiques. Substrats : glucose, glycérol. Doctorant J. Cescut Resp. J.L. Uribelarrea et C. Molina-Jouve Soutien FSE, Airbus, CNRS, DGE Coll. Laboratoire de Microbiologie et de Génétique Moléculaire CNRS-INRA-INAPG UMR2585 Pôle de compétitivité « Aéronautique, Espace et Système Embarqués » CALIN 2 Prog. Européens Alfa-Bird Safe Air Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 46 Production par des levures oléagineuses de molécules à usages énergétiques et/ou précurseurs de synthèses chimiques Spectre relatif % (p/p) des acides gras Rapport ____________________________________ AG/X (%, p/p) C16:0 C16:1 C18:0 C18:1 C18:2 C18:3 ESPECES Cryptococcus curvatus 58 25 Trace 10 57 7 --- Candida sp. 107 Cryptococcus albidus 42 65 44 12 5 1 8 3 31 73 9 12 1 --- Lipomyces starkeyi Rhodotorula glutinis 63 72 34 37 6 1 5 3 51 47 3 8 ----- Trichosporon pullulans 65 15 --- 2 57 24 1 Yarrowia lipolytica 36 11 6 1 28 51 1 Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 47 Production par des levures oléagineuses de molécules à usages énergétiques et/ou précurseurs de synthèses chimiques 1. Mise en place d’un référentiel de conduite de fermentation 1400 B io m a s s e p o ly s a c 1200 2500 AG X to ta l 2000 1000 800 1500 600 1000 400 croissance 500 200 0 0 0 [X] = 180 gms.L-1 Lipides 60% (p/p) 20 40 PRODUCTION 60 Temps (h) R. glutinis Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 9 Conditions optimales, optimisation de la commande 48 2 . Optimisation de l’accumulation des triglycérides Coll. Dr JM NICAUD, (LISBP) CNRS-INRA-INAPG UMR2585, LMGM , INRA centre de Thiverval-Grignon et Alain Marty • Simulation métabolique pour substrats mixtes • Modélisation métabolique Réseau métabolique central polysaccharides Glucose + NADPH,H 2 CO2 ATP Glucose6-P Réseau métabolique central Glucose + NADPH,H 2 CO2 ATP Pentose P Fructose-P NADH,H ATP ATP Pentose P Fructose-P NADH,H ATP GlycerolP TrioseP Sedoheptulose7 P Glucose6-P NADH,H ATP Glycerate3P Glycérol Erythrose4P ATP Pyruvate + NADPH,H CO2 ATP CO2 HS-CoA + NADH,H CO2 CO2 NADH,H ATP Glycerate3P Erythrose4P PEP Lipides Acetyl CoA OAA PEP Acide Acétique Lactique ATP ATP CO2 HS-CoA + NADH,H CO2 CO2 + ATP NADPH,H Citrate Acetyl CoA HS-CoA OAA IsoCitrate Fumarate FadH2 Succinate SH-CoA aKglu GTP SH-CoA Suc-CoA CO2 + NADH,H CO2 ANABOLISME MalateNADH,H + + NADH,H IsoCitrate Fumarate + NADPH,H CO2 FadH2 Succinate Précurseurs des voies anaboliques + ATP NADPH,H Citrate ANABOLISME MalateNADH,H + Lipides Pyruvate + NADPH,H CO2 HS-CoA Glycérol GlycerolP TrioseP Sedoheptulose7 P ATP SH-CoA aKglu Orleans 23 11 2007 GDR Combustion GTP SH-CoA Suc-CoA CO2 + NADH,H CO2 + NADH,H + NADPH,H CO2 Précurseurs des voies anaboliques 49 Quo vadis DD : un regard anticipatif iconoclaste (nb ce tableau pourrait se décliner avec de plus nombreuses lignes) Sciences amont Produits Procédés Sociétal SHS Eco produits et modes de consommation(a) Index de Qualité, de consom (b) ,rationalité procédés IP=a.b.N (N=population) Biotechs végétales 1° bilans sérieux séquestration//respir ation 2° Plantes à lignines modulées et » à missions » 1° Ligno celluloses et matériaux 2° itinéraires culturaux 3° utiliser aussi les acquis des papetiers Effet GES ,Foret/grandes cultures: un bilan sérieux et objectif Biotechs Blanches et chimie verte Molécules « vertes » Agro carburants de 3° génération Séquestration biologique du CO2 et valo des carbonates Impact sur taxe carbone Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 50 Biomasse et Biocatalyses : Production de molécules à usages énergétiques Objectifs 1. Améliorer la rentabilité de la filière bio-éthanol dans un concept de bioraffinerie 2. Développer des nouvelles voies de production microbienne d’acides gras spécifiques à usages énergétiques et/ou précurseurs de synthèse chimique 3. Le développement d’outils de changement d’échelle Orleans 23 11 2007 GDR Combustion 51