Matière première pour l'acide itaconique Comment l'électricité et la levure permettent d'exploiter le CO₂

Des chercheurs ont combiné des processus électrochimiques et de la levure dans un bioréacteur afin de produire de l'acide itaconique. Ce produit chimique, utilisé dans la fabrication de plastiques, de colles et de résines, est obtenu à partir d'un intermédiaire, le formiate. Le rendement doit toutefois encore être amélioré.

Afin de ne pas aggraver davantage le changement climatique en cours, on recherche des technologies permettant de valoriser le dioxyde de carbone (CO₂), un gaz à effet de serre, présent dans l'atmosphère. Des chercheurs du Centre Helmholtz pour la recherche environnementale (UFZ), en collaboration avec l'université Boku (Université des ressources naturelles et des sciences de la vie) de Vienne, ont démontré qu’en combinant des processus électrochimiques et microbiologiques, il est possible de fixer le CO₂ et de produire de l’acide itaconique, un produit biochimique utilisé dans l’industrie. Ce procédé novateur illustre comment les émissions de CO₂ peuvent être transformées en bioproduits durables. L’utilisation d’autres micro-organismes permettrait d’envisager la production d’autres produits chimiques de grande valeur. L’étude a été publiée dans la revue spécialisée Angewandte Chemie International Edition.

L'acide itaconique est un acide organique d'origine biologique utilisé pour la fabrication de plastiques biodégradables, de textiles, d'adhésifs et de résines. Il est considéré comme une alternative durable et prometteuse aux produits à base de pétrole. À l'échelle mondiale, 70 000 tonnes d'acide itaconique sont déjà produites chaque année, et cette tendance est à la hausse. « À l’échelle industrielle, l’acide itaconique est produit par des procédés biotechnologiques à l’aide d’un champignon et à partir de sucre », explique le professeur Falk Harnisch, électrobiotechnologiste à l’UFZ et dernier auteur de l’étude. « Nous avons désormais mis au point un procédé dans lequel le CO₂ peut servir de matière première à la place du sucre, ce qui nous permet de valoriser ces émissions de manière utile. »

En collaboration avec des chercheurs de l'université Boku, l'équipe de l'UFZ a mis au point un procédé dans lequel des processus à la fois électrochimiques et microbiologiques se déroulent simultanément dans un bioréacteur. Mais comment fonctionne exactement cet électrobioréacteur ? Et comment les chercheurs ont-ils eu l'idée de combiner l'utilisation du CO₂ avec la production d'acide itaconique ?

Une étude antérieure menée par l'université Boku a montré qu'il était possible de produire de l'acide itaconique par des procédés biotechnologiques à partir de méthanol, un alcool. Les micro-organismes étant capables d’utiliser différentes substances pour leur métabolisme, l’équipe dirigée par Falk Harnisch a, dans le cadre de la présente étude, mis en avant une substance chimiquement similaire, qui présente toutefois l’avantage de pouvoir être produite relativement facilement à partir de CO₂. « À l’aide d’électricité – provenant, dans le meilleur des cas, d’énergies renouvelables –, il est possible de produire du formiate à partir du gaz CO₂. Ce composé est chimiquement apparenté au méthanol : tous deux ne possèdent qu’un seul atome de carbone. C’est pourquoi nous avons voulu vérifier si la levure pouvait éventuellement utiliser le formiate comme matière première pour produire de l’acide itaconique », explique le Dr Paniz Izadi, chercheuse au sein de l’équipe de Falk Harnisch à l’UFZ et première autrice de l’étude.

La conception du bioréacteur électrique, dans lequel les processus électrochimiques et microbiologiques se déroulent simultanément, a posé plusieurs défis. En effet, la conversion électrochimique du CO₂ en formiate se déroule de manière optimale à des températures élevées, à un pH alcalin et en présence d’un minimum d’autres substances chimiques. La levure utilisée dans le bioréacteur, la souche Komagataella phaffii couramment employée dans l’industrie, nécessite en revanche des conditions totalement différentes : des températures modérées avoisinant les 30 °C, un pH neutre ainsi qu’un milieu riche en nutriments. « Pour que les processus électrochimiques et microbiologiques puissent se dérouler et fonctionnent de manière aussi optimale que possible, nous avons dû trouver un compromis concernant les conditions dans l’électrobioréacteur, afin de tirer le meilleur parti de ces conditions pour les deux domaines », explique le Dr Simone Bachleitner, chercheuse senior à l’Institut de microbiologie et de biotechnologie microbienne de l’université Boku.

L'expérience a été couronnée de succès : la levure a effectivement réussi à produire de l'acide itaconique à partir de CO₂ et du formiate obtenu par voie électrochimique. « Dans notre bioréacteur, nous avons réussi à associer des processus électrochimiques et microbiologiques. Une chaîne de processus autonome présente de grands avantages dans la pratique, car elle permet notamment d’éviter les circuits de transport fastidieux des produits intermédiaires », explique Falk Harnisch. « Certes, le rendement en acide itaconique était inférieur à celui de la variante produite à partir de sucre ou de méthanol, mais notre étude démontre de manière impressionnante qu’il est possible d’utiliser le CO₂ et de le transformer en produits biochimiques complexes et précieux. »

Les chercheurs espèrent que leur procédé novateur servira de modèle pour une future application pratique et qu'il sera intégré au développement d'installations à grande échelle. Dans le cadre d'études complémentaires, ils souhaitent optimiser les processus au sein du bio-réacteur électrique et les tester pour d'autres micro-organismes ainsi que pour la fabrication d'autres produits biosourcés potentiels.

Publication : Paniz Izadi, Manja M. Severinsen Zijlstra, Aykut Kas, Philip Haus, Verena Enzinger, Gregor Lutz, Özge Ata, Simone Bachleitner, Diethard Mattanovich et Falk Harnisch : Production électromicrobienne intégrée d'acide itaconique à partir de CO₂ à l'échelle du litre à l'aide de Komagataella phaffii ; Angew. Chem.-Int. Edit., https://doi.org/10.1002/anie.8633090