Tagebuch des fondamentaux de l'énergie renouvelable et des applications
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ISSN: 2090-4541
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Giuliano Degrassi
La production de biogaz à partir de biomasses et de résidus organiques par digestion anaérobie à l'aide de bactéries méthanogènes est un procédé biotechnologique important pour la production durable de biocarburants. L'un des facteurs limitants de ce procédé est le faible taux de conversion en biogaz de l'énergie contenue dans la biomasse. Cela est principalement dû au métabolisme difficile des composants de la paroi cellulaire végétale par le consortium microbien présent dans le digesteur, principalement en raison de la complexité de la cellulose, de l'hémicellulose et de la lignine. La cellulose est très abondante et sa conversion complète en méthane augmenterait l'efficacité du procédé. La production de biogaz à partir de polysaccharides et d'autres biopolymères se déroule en quatre étapes : hydrolyse, acidogénèse, acétogénèse et méthanogénèse. Il est évident qu'une hydrolyse plus efficace est importante pour obtenir une production accrue de biogaz. Nous avons développé trois systèmes d'expression hétérologues pour la production des enzymes suivantes : l'endocellulase (endo-glucanase) de Bacillus pumilus ; cellobiohydrolase de Xanthomonas sp., beta-glucosidase de Bacillus amyloliquefaciens. Ces trois enzymes sont connues pour participer à la dépolymérisation de la cellulose qui se déroule en trois étapes : (i) Clivage du polymère de cellulose et formation d'oligomères ; (ii) Élimination des dimères (cellobiose) des oligomères de cellulose ; (iii) Libération du glucose des dimères de cellobiose. Les trois gènes codant les enzymes mentionnées ci-dessus ont été amplifiés par PCR, clonés dans pTOPO, séquencés pour vérifier la bonne amplification, puis clonés dans pQE, un vecteur d'expression donnant des protéines marquées 6xHis. E. coli M15 était le système d'expression. Les trois enzymes ont ensuite été purifiées par chromatographie d'affinité en une seule étape, grâce au tag à six histidines et utilisées dans les expériences de digestion de la cellulose. Considérant que deux enzymes n'étaient pas solubles lorsqu'elles étaient exprimées dans E. coli (cellobiohydrolase et bêta-glucosidase formaient des corps d'inclusion), un système d'expression hétérologue alternatif a été pris en considération pour la production des enzymes, la levure Pichia pastoris. L'objectif final du projet est le développement d'une méthode de prétraitement à utiliser pour la conversion de biomasses et de résidus organiques industriels contenant de la cellulose en un substrat à fermenter par des bactéries méthanogènes pour la production de biogaz. Alors que l'expression hétérologue dans Pichia est encore en cours de développement, nous disposons déjà d'un système efficace pour la production de l'endoglucanase bactérienne recombinante. Les conditions optimales pour l'utilisation de cette enzyme ont été déterminées et le pH optimal est de 6,0 et la température optimale est de 400 °C. Dans ces conditions, pH 6,0 et température de 400 °C, l'enzyme a maintenu jusqu'à 50 % de son activité après une semaine. L'enzyme a été testée sur certains substrats et s'est avérée capable de dépolymériser la cellulose microfibrille (Sigma), la cellulose résiduelle à fibres courtes de l'industrie papetière, la poudre d'épi de maïs et la poudre de tige de maïs avec une activité spécifique de 251, 142,75 et 70 UI/mg respectivement. L'étape suivante consistera à mesurer le potentiel méthanogène de différents résidus organiques contenant de la cellulose avec et sans prétraitement avec l'enzyme cellulolytique. Suite à cette expérience, la durabilité économique de ce procédé sera calculée, en comparant le coût du prétraitement et le bénéfice obtenu en terme d'augmentation de la production de biogaz.