Dans le cadre d’une avancée majeure en matière de production chimique respectueuse de l’environnement, des chercheurs du Centre d’innovation avancée en bioénergie et bioproduits (CABBI) ont développé un moyen économique de fabriquer de l’acide succinique, un produit chimique industriel important, à partir de la canne à sucre.
L’équipe de chercheurs de l’Université de l’Illinois et de l’Université de Princeton a créé un pipeline de bout en bout rentable pour ce précieux acide organique en concevant une levure résistante et tolérante aux acides comme agent de fermentation, évitant ainsi des étapes coûteuses de traitement en aval. L’acide succinique est un additif largement utilisé pour les aliments et les boissons et a diverses applications dans les produits agricoles et pharmaceutiques.
Ce même pipeline peut être utilisé pour produire d’autres acides organiques d’importance industrielle ciblés par le CABBI dans ses travaux visant à développer des biocarburants et des produits biochimiques durables à partir de cultures, a déclaré le co-auteur Huimin Zhao, responsable du thème de conversion du CABBI et professeur de génie chimique et biomoléculaire (ChBE) à Illinois. Pour réduire la dépendance aux combustibles fossiles, les chercheurs de Conversion déploient des microbes pour convertir la biomasse végétale en produits chimiques utilisés dans les produits quotidiens comme alternative à la production conventionnelle à base de pétrole.
« Cela servira de modèle pour tous les autres produits d’ingénierie métabolique du CABBI », a déclaré Zhao, l’un des nombreux chercheurs principaux du CABBI sur le projet.
L’étude est publiée dans Communications naturelleset les travaux s’appuient sur des années de recherche sur la production d’acide succinique par Zhao et ses collègues utilisant Issatchenkia orientalis, une levure non conventionnelle idéale pour fabriquer des acides organiques.
I. orientalis a la capacité unique de prospérer dans des conditions de pH faible ou acides. La plupart des organismes ont besoin d’un environnement au pH neutre pour survivre, notamment Saccharomyces cerevisiae, une levure plus conventionnelle, ou la bactérie Escherichia coli. Les deux ont été utilisés par des entreprises et des laboratoires pour produire de l’acide succinique, mais se sont révélés trop coûteux, de sorte que les efforts visant à augmenter la production ont échoué, a déclaré Zhao.
Ces micro-organismes nécessitent l’ajout d’une base pour neutraliser les conditions acides toxiques afin de pouvoir continuer à produire de l’acide succinique. Mais cela génère des produits secondaires, tels que le gypse ou le sulfate de calcium, qui doivent être séparés à la fin du pipeline pour purifier le produit, ce qui fait augmenter les coûts de traitement en aval.
« L’un des goulots d’étranglement dans la production d’acides organiques est le coût de séparation », a déclaré Zhao. « Nous devons ajouter beaucoup de base pour maintenir le pH proche de la neutralité, entre 6 et 7. »
Cependant, avec I. orientalis, « l’organisme vit heureux à un pH de 3 à 4 », les additifs ne sont donc pas nécessaires, a expliqué Zhao. « En fin de compte, cela réduit considérablement les coûts. »
Les chercheurs du CABBI ont également procédé à une ingénierie métabolique approfondie pour recâbler I. orientalis afin de produire des niveaux robustes d’acide succinique, supérieurs à ceux de S. cerevisiae ou d’E. coli, a-t-il déclaré. Grâce à l’analyse des flux métaboliques du laboratoire de Rabinowitz, ils ont identifié les étapes du métabolisme de la levure qui limitaient la production d’acide succinique. Un obstacle majeur : l’indigène I. orientalis ne peut pas utiliser le saccharose de la canne à sucre. Ainsi, une enzyme a été ajoutée qui pourrait décomposer le saccharose du jus de canne à sucre en glucose et fructose pour produire de l’acide succinique. D’autres gènes ont été introduits pour surproduire de l’acide succinique.
En collaboration avec le groupe de Singh à l’IBRL, l’équipe a ensuite intensifié la production d’acide succinique en utilisant des équipements industriels pertinents pour mener une intégration de bout en bout du processus. Le travail à l’échelle pilote a montré que les nouvelles souches pouvaient produire jusqu’à 110 g/L d’acide succinique et, après fermentation par lots et traitement en aval, un rendement global de 64 %, des résultats impressionnants ayant une signification commerciale, a déclaré Singh.
La combinaison de niveaux de production plus élevés grâce au génie génétique et de coûts réduits grâce à l’élimination de la séparation en aval rend le processus « très attractif », a déclaré Zhao. « C’est pourquoi le pipeline est si économique, du moins à cette échelle pilote. »
La dernière étape consistait à travailler avec Guest pour simuler un pipeline complet de production d’acide succinique à faible pH, à l’aide de la plate-forme logicielle open source. BioVAPEUR développé par son groupe. L’analyse technico-économique (TEA) et l’évaluation du cycle de vie ont montré que le procédé était financièrement viable et pouvait réduire les émissions de gaz à effet de serre de 34 à 90 % par rapport aux procédés de production basés sur les combustibles fossiles.
« Ces progrès en matière d’ingénierie métabolique pourraient avoir des avantages à grande échelle, tout en réduisant les coûts et les impacts environnementaux en faveur d’une bioéconomie circulaire », a déclaré Guest.
Le procédé émet moins de dioxyde de carbone (CO2) que le traitement chimique conventionnel à base de pétrole. Les plantes comme la canne à sucre absorbent également du carbone, et le CO2 peut être utilisé comme substrat pour le processus, réduisant ainsi davantage son empreinte carbone.
« C’est définitivement plus respectueux de l’environnement. C’est le principe de toutes les recherches du CABBI : utiliser des ressources renouvelables pour fabriquer des produits chimiques et des carburants », a déclaré Zhao.
Les chercheurs prévoient bientôt d’autres études à grande échelle pour soutenir la commercialisation du processus de production d’acide succinique.
Le travail servira également de modèle pour la production d’autres produits CABBI utilisant I. orientalis, notamment l’acide 3-hydroxypropionique (3-HP). Le marché du 3-HP, utilisé dans les composants des couches jetables et des produits d’étanchéité, dépasse le milliard de dollars, et les recherches menées à ce jour sont extrêmement prometteuses, a déclaré Zhao.
« Nous espérons qu’I. orientalis pourra servir de plate-forme industrielle générale pour la production d’une grande variété d’acides organiques », a déclaré Vinh Tran, auteur principal de l’article et titulaire d’un doctorat. étudiant en ChBE.
Le projet a impliqué plusieurs groupes de laboratoire et des contributions des trois thèmes de recherche du CABBI : en utilisant le jus de canne à sucre de l’équipe de recherche sur la production de matières premières, la recherche métabolique et les installations de biotraitement de l’équipe de conversion, et l’analyse économique et environnementale de l’équipe de durabilité.
Les co-auteurs comprenaient les chercheurs du CABBI Sarang Bhagwat du CEE et Yihui Shen du Département de chimie de Princeton ; Somesh Mishra d’ABE ; Saman Shafaei, Shih-I Tan, Zia Fatma et Benjamin Crosly de ChBE ; et Jayne Allen du CEE.
Plus d’information:
Vinh G. Tran et al, Un pipeline de bout en bout pour la production d’acide succinique à une échelle industriellement pertinente utilisant Issatchenkia orientalis, Communications naturelles (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-41616-9