Motivé par la recherche de technologies innovantes dans le domaine du transport, IFPEN développe, depuis de nombreuses années, de nouveaux procédés de production de biocarburants (Vegan®, Futurol®, BioTfueL®) et participe à leur commercialisation. Parmi les différentes voies étudiées, la filière de production de bioéthanol à partir de ressources lignocellulosiques a de nombreux atouts à faire valoir, notamment en termes de disponibilité de la ressource et du fait des conditions opératoires de leur transformation, douces en comparaison d’un procédé thermochimique.
La fabrication du bioéthanol s’effectue en trois étapes-clés de transformation : le prétraitement de la biomasse lignocellulosique, l’hydrolyse enzymatique de la cellulose et la fermentation des sucres obtenusa. L’hydrolyse enzymatique a pour rôle principal de dépolymériser la cellulose en glucose et utilise pour cela un mélange d’enzymes spécialisées (endoglucanases, cellobiohydrolases, β-glucosidases, etc.) qui agissent en synergie pour catalyser la réaction.
La durée caractéristique de cette hydrolyse est de plusieurs jours, ce qui est très long comparativement aux étapes de prétraitement et de fermentation, et réduire cette durée s’avère un axe significatif d’amélioration de la viabilité économique du procédé global. Des progrès notables ont été accomplis ces dernières années dans la compréhension des mécanismes réactionnels [1] mais sans permettre d’expliquer des phénomènes de désactivation qui affectent la réaction d’hydrolyse enzymatique en réduisant fortement l’activité enzymatique (d’environ 50 % par tranche de 24 heures). Parmi les phénomènes envisagés, la perte d’activité à l’interface air-liquide par dénaturation des enzymes, la perte d’activité par adsorption sur les surfaces ligneuses inertes et la perte d’activité par adsorption non productive sur les surfaces cellulosiques (enzymes bloquées sur la cellulose et n’agissant plus) ont été étudiées durant un travail doctoralb.
L’étude expérimentale de la perte d’activité en présence du contact avec l’air a permis d’observer que le phénomène était très marqué pour de forts ratios (surface de contact sur volume de solution variant de 0.3 à 1.7 cm2/cm3) et pouvait entraîner des pertes d’activité allant jusqu’à 40 % (figure 1 - gauche). Elle a ensuite été complétée par une approche de modélisation cinétique pour prédire les pertes d’activité liées à ce phénomène particulier [2]. Le modèle nécessitant de connaître les surfaces air-liquide produites par l’agitation, celles-ci ont été déterminées par simulation numérique CFDc (figure 1 - droite).
Concernant les pertes d’activité liées à l’adsorption des enzymes sur différentes surfaces de la biomasse lignocellulosique, d’autres travaux menés au cours de la thèse ont permis d’évaluer la répartition des enzymes adsorbées sur les surfaces cellulosiques et ligneuses au cours de l’hydrolyse enzymatique. Les enzymes adsorbées sur la lignine ne participant pas à la réaction, ces travaux ont permis de montrer, à partir de calculs d’isothermes d’adsorption, que les pertes d’activité enzymatique liées à l’adsorption sur la lignine pouvaient représenter jusqu’à 25 % de l’activité initiale (publication en cours).
L’ensemble de ces résultats sera couplé avec les modèles mécanistiques déjà disponibles à IFPEN [1] pour améliorer la prédiction des performances en hydrolyse enzymatique, pour optimiser les temps de réaction et pour réduire les volumes de réacteurs fermentaires.
a- Glucose, xylose, galactose, arabinose, mannose.
b- Thèse de Laura Cachafeiro, « Hydrolyse enzymatique de la biomasse lignocellulosique : étude de l'adsorption et de la désactivation des cellulases », Université Lyon 1, 2023 (sous la direction de D. Hudebine - IFPEN).
c- Computational Fluid Dynamics.
Références :
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M. Huron, D. Hudebine, N. Lopes Ferreira, D. Lachenal, Mechanistic modeling of enzymatic hydrolysis of cellulose integrating substrate morphology and cocktail composition, Biotechnology and Bioengineering, 113(5), pp. 1011-1023, 2016.
>> DOI: 10.1002/bit.25873
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[2] L. Cachafeiro, S. Heiss-Blanquet, D. Hudebine, An experimental and modeling approach to describe the deactivation of cellulases at the air–liquid interface, Biotechnology and Bioengineering, Early Access, 2024.
>> DOI: 10.1002/bit.28698
Contact scientifique : Damien Hudebine