PERCEES SCIENTIFIQUES VERS LA 3 GENERATION

PERCEES SCIENTIFIQUES VERS LA 3ème GENERATION

Marc ROUSSETCNRS, Marseille

Biocarburants de 3ème génération

• La production d’énergie est déconnectée de la contrainte du sol.

• Pas de concurrence avec les surfaces cultivables et boisées.

• Biotechnologie: les organismes cultivés produisent le composé énergétique.

Biocarburants de 3ème génération

• Lipides � biodiesel par transestérification

• Amidon � bioéthanol par fermentation

• Hydrogène � biohydrogène

Organismes mis en jeu dans la 3ème génération: photosynthèse

• MicroalguesChlamydomonas

• CyanobactériesSynechocystis

Intérêts de la 3ème génération

CyanobactCyanobactéérierieSynechocystisSynechocystis

MicroalgueMicroalgueChlamydomonasChlamydomonas Biocarburant

Pour un flux de

17 GWh/ha/an

Pour un flux de Pour un flux de

17 17 GWhGWh/ha/an/ha/an 145 Tep /ha/an145 Tep /ha/an145 Tep /ha/an

Atouts de la 3ème génération• Plus de 80 % en lipides

• CO2 d’origine industrielle

• Rendement photosynthétique élevé

• Pas de phytosanitaires ou d’engrais

• Moins de dépendance au climat

• Plasticité métalobique élevée

• Sous-produits à haute valeur ajoutée

• Technologie exploitable dans les pays en voiede développement

Vers la 3ème génération

1) Optimiser la culture

2) Optimiser les flux

3) Optimiser les enzymes

Vers la 3ème génération

1) Optimiser la culture

• Photobioréacteurs: productivité/éclairement

• Composition des milieux (CO2, N, S) *Production lipide carence en N*Production H2 carence en S

• Choix des souches les mieux adaptées

• Modélisation

Irradiance G

Flux incident

(qo)

Profondeur de culture z

Vers la 3ème génération

2) Optimiser les flux

•Détourner le métabolisme énergétique*Génie métabolique

• Approche intégrée *Comprendre les flux métaboliques*Transcriptome, Protéome, Métabolome

Vers la 3ème génération

3) Optimiser les enzymes

• Approche moléculaire *Comprendre le mécanisme catalytique*Comprendre le rôle métabolique

• Lever les inhibitions*Inhibition par l’O2 produit par le

photosystème

Vers la 3ème génération

7 projets ANR 6,2 M €

1 Non Thématique

4 PNRB

2 Bioénergies

1) Optimiser la culture

• PhotoBioH2 (2005-2008) Blanc-05Jack Legrand 727 000 €Production d’hydrogène à partir d’énergies renouvelables par voie photosynthétiques et biomimétiques

• SHAMASH (2006-2009) PNRB-06Olivier Bernard 796 000 €Production d'un biocarburant lipidique par des microalgues

1) Optimiser la culture

• BIOSOLIS (2007-2010) PNRB-07Jérémy Pruvost 747 000 €Développement de photobioréacteurs solaires intensifiés en vue de la production de bioénergies par microorganismes photosynthétiques

1) Optimiser la culture• PhotoBioH2 Blanc-05

Production d’H2 chez Chlamydomonas

Élaboration d’un photobioréacteur d’étude• Contrôle des conditions de culture

Mise au point de protocoles de production d’H2•Passage à une production autotrophe (sans acétate)•Développement d’un nouveau protocole basé sur le contrôle de la fraction éclairée

Etudes en conditions contrôlées•Bilan carbone •Rôle de la fraction illuminée

Développement de modèles dédiés•Modélisation de la mise en place des conditions de production d’hydrogène

Fouchard et al. (2008) IJHEDegrenne et al. soumis J.Biotech

Fouchard et al. (2009) Bio&Bio

Degrenne et al. soumis J.Biotech

1) Optimiser la culture• SHAMASH PNRB-06

Production de biocarburant par des microalguesModèle de bioproduction de lipides après une carence en azote : validation expérimentale

Pruvost et al. (2009) Biores. Technol. Sialve et al. (2009) Biotechnol. Adv

1) Optimiser la culture• SHAMASH PNRB-06

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.080

0.2

0.4

0.6

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.080

1

2

3

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.080

1

2

3

Dilution rate (h-1)

Biomass productivity (kg.m-3.day-1)

Biomass concentration (kg.m-3)

Optimal biomass concentration

Maximal biomass productivity

Optimal operating zone of dilution rate

Theoretical prediction of biomass productivity

Theoretical prediction of biomass concentration

Détermination de l’optimum [biomasse]/productivité

Lardon et al. (2009) Environ. Sci. Technol.Goffaux et al. (2009) Biotechnol. Prog.

1) Optimiser la culture• SHAMASH PNRB-06

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

WT S1 M1 S2M1 S3M2

mg.g (C-1)

Augmentation de la productivité en lipides

Amélioration d’un souche d’Isochrysis galbana

Goffaux et al. (2009) J. Process Control.

3 Brevets

300%

80%

1) Optimiser la culture• BIOSOLIS PNRB-07

Photobioréacteur solaire

Productivité augmente avec la surface spécifique éclairée as (m2/mTOT

3), et le flux incident qo

(en volume)

Productivité optimale : r ∝ as ln(1+q0/K)

1) Optimiser la culture

Deux stratégies de conception de photobioréacteurs

• Intensification et optimisation du contrôle des systèmes à éclairage direct fermés = concept en couche mince � 100t/ha/an (Brevets)

• Une conception à plus long terme, en rupture technologique, à haute productivité en surface et en volume par captation et dilution contrôlée du rayonnement en volume � 400t/ha/an (Brevets)

• BIOSOLIS PNRB-07

Photobioréacteur solaire

2) Optimiser les flux

• ALGOMICS (2008-2012) BIOE-08Gilles Peltier 1 621 000 €Études globales de la conversion et du stockage

de l'énergie chez les microalgues

• EngineeringH2Cyano (2009-2013) BIOE-09Franck Chauvat 1 142 000€Ingénierie de la cyanobactérie modèle Synechocystis pour une meilleure photoproduction d'hydrogène

3) Optimiser les enzymes

• DIVHYDO (2006-2009) PNRB-06 Laurent Cournac 588 000 €Diversité des hydrogénases et de leur réactivité à

l'oxygène

• HYLIOX (2007-2010) PNRB-07Marc Rousset 574 000 €Ingénierie enzymatique de l’hydrogénase pour une

production d’hydrogène photosynthétique

3) Optimiser les enzymes

• DIVHYDO PNRB-06

Diversité des hydrogénases

Time

0 2 4 6 8

Act

ivity

0

5

10

15

20

25

O2 10 µMO2 50 µMO2 150 µM

O2

Enzyme témoin -10 µM O2

DIV036

Baffert et al. (2008) Angew. Chem.

4 souches apparentées àEnterobacter radicincitans

3) Optimiser les enzymes

• DIVHYDO PNRB-06

Recherche de motifs conservésresponsables de la résistante

3) Optimiser les enzymes

• HYLIOX PNRB-07

Comprendre les mécanismes de l’inhibition par O2

Relation résistanceDiffusion des gaz

Liebgott et al. (2009) Nat. Chem. Biol.

3) Optimiser les enzymes

• HYLIOX PNRB-07

V74M

Création d’une enzymemodifiée résistante

Dementin et al. (2009) JACS

Partenaires des projets