Des bactéries reprogrammées transforment les déchets de CO2 en produits de valeur
Les préoccupations croissantes relatives à la durabilité environnementale et à la réduction des émissions de gaz à effet de serre ont entraîné un redoublement des efforts de recherche axés sur l’utilisation du CO2 en tant que matière première. L’objectif consiste à créer des produits chimiques et des matériaux écologiques en exploitant les sources d’énergie renouvelables et les biocatalyseurs microbiens. «L’approche combinée du captage du CO2 et de sa transformation en produits de valeur affecte les grandes industries en remplaçant une partie de leurs produits traditionnellement basés sur les énergies fossiles par des alternatives durables», fait remarquer Nicolò Vasile, membre de l’équipe de coordination du projet ENGICOIN, financé par l’UE. «Afin de réussir la mise en œuvre de cette approche, il est nécessaire d’établir des politiques de fabrication distribuée qui favorisent l’intégration d’usines générant des émissions de CO2 avec des systèmes qui utilisent la chaleur résiduelle et des sources d’électricité renouvelables à faible coût.» Cette approche permet de créer une économie circulaire dans laquelle le résultat d’un processus devient l’intrant d’un autre.
L’alchimie microbienne au service des produits durables
ENGICOIN a illustré ces principes en convertissant le CO2 en différents plastiques et produits chimiques de base en recourant à des micro-organismes modifiés. «ENGICOIN ouvre la voie aux usines microbiennes techniques, qui utilisent des catalyseurs biologiques robustes capables de traiter des matières premières variables à base de CO2, et propose ainsi des schémas de processus flexibles, intégrés et résistants.» «Nous avons mis au point trois nouvelles usines microbiennes intégrées qui exploitent des sources de CO2 et de l’hydrogène renouvelable issu de l’électrolyse au sein d’une plateforme de digestion anaérobie industrielle traitant la fraction organique des déchets solides municipaux», ajoute Nicolò Vasile. Ces usines microbiennes produisent de l’acide lactique, des polyhydroxyalcanoates (PHA), de l’acétate et de l’acétone. L’usine microbienne 1 recourt au micro-organisme photosynthétique Synechocystis, qui absorbe le CO2 grâce à la lumière du soleil. Il est alors modifié pour produire de l’acide lactique à partir des gaz de combustion du biogaz et des flux de CO2 pur issus de la transformation du biogaz en biométhane. L’usine microbienne 2, qui s’appuie sur une bactérie aérobie, Cupriavidus necator, tire son énergie des réactions chimiques au lieu de la lumière du soleil. Elle convertit le CO2 et l’hydrogène en thermoplastiques biodégradables et biocompatibles (PHA) en utilisant les mêmes sources de CO2 que l’usine microbienne 1, à savoir les gaz de combustion du biogaz et les flux de CO2 pur issus de la transformation du biogaz en biométhane. Enfin, l’usine microbienne 3 utilise un acétogène anaérobie, Acetobacterium woodii, qui convertit le CO2 et l’hydrogène en acétate et en acétone.
Relever les défis de la mise à l’échelle de la technologie
ENGICOIN a mis en service et testé avec succès la plateforme pilote TRL 5 intégrant un bioréacteur et un électrolyseur en Italie. L’objectif principal de la campagne d’essais consistait à démontrer la faisabilité des bioprocédés alimentés par des gaz résiduels (CO2 brut) ainsi que le fonctionnement continu du bioréacteur et de l’électrolyseur pour les processus de longue durée. Les chercheurs ont démontré la faisabilité de la culture de Synechocystis et Cupriavidus necator modifiés pour la production d’acide lactique et de PHA dans un environnement industriel réel. Ce processus impliquait l’utilisation de systèmes de réacteurs mis à l’échelle et l’alimentation des cultures bactériennes avec des déchets de CO2. L’équipe du projet a relevé les défis de la mise en œuvre à l’échelle industrielle des concepts et technologies proposés, en se concentrant sur la durabilité économique obtenue grâce au fonctionnement nocturne de l’électrolyseur et à la production continue de l’usine microbienne. «ENGICOIN entendait considérablement réduire les émissions de CO2 à moyen et long terme en ciblant des produits de valeur comme les polymères (y compris les polylactates et les PHA) qui représentent 4 % de l’utilisation mondiale de pétrole brut», déclare Nicolò Vasile. «En dehors des biocarburants, il est difficile de trouver d’autres produits présentant un potentiel comparable de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Mais ceux qui utilisent l’hydrogène dans leur processus de traitement ne sont pas encore prêts à être commercialisés.» ENGICOIN a démontré le potentiel de l’exploitation du CO2 en tant que matière première pour la production chimique durable, en remplacement des produits dérivés de sources fossiles. En recourant à des énergies renouvelables et en ciblant la séquestration du CO2 et la purification des gaz de combustion, ENGICOIN montre l’importance de concevoir des processus biotechnologiques qui contribueront à une économie circulaire.
Mots‑clés
ENGICOIN, usines microbiennes, hydrogène, PHA, produits chimiques, plastiques, acide lactique, déchets de CO2
