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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