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L’isobutanol a été salué comme un substitut vert possible aux combustibles fossiles tels que l’essence, mais sa production s’est avérée difficile et coûteuse. Une équipe de recherche comprenant un ingénieur chimiste montre comment un procédé novateur peut rendre la production de ce biocarburant et d’autres biocarburants plus économique.

De l’isobutanol produit par des bactéries

Dans la perspective d’un remplacement «vert» des combustibles fossiles, une équipe de recherche composée d’un ingénieur en chimie du Worcester Polytechnic Institute (WPI) a mis au point un nouveau procédé utilisant un solvant inhabituel et un microorganisme exotique pouvant permettre de fabriquer de l’isobutanol et d’autres biocarburants plus économiquement.
L’isobutanol, comme l’éthanol, est un alcool, mais sa faible solubilité dans l’eau (ce qui réduit le risque de corrosion associé à de nombreux biocarburants) et sa densité d’énergie élevée (qui se traduit par une augmentation du nombre de kilomètres par litre) ont suscité un intérêt considérable pour l’utilisation potentielle du composé en tant qu’additif à l’essence et même un substitut à l’essence. Mais la fabrication d’isobutanol, qui est généralement produite à l’aide de la biotechnologie, s’est révélée difficile et coûteuse.
«Face à la menace croissante du changement climatique et à notre dépendance à l’égard des combustibles fossiles et des pays producteurs de pétrole, l’utilisation de l’isobutanol comme additif pour essence à la place de l’éthanol suscite un intérêt croissant, a déclaré Michael Timko , professeur agrégé de génie chimique. « Mais nous n’avons pas trouvé de moyen écologique, efficace ou peu coûteux de le produire. »
Dans un article publié récemment dans Nature Communications, Timko et ses collègues décrivent une nouvelle méthode de production et d’extraction d’isobutanol utilisant le dioxyde de carbone supercritique comme solvant et une bactérie pouvant se développer dans ces conditions difficiles.

Une bactérie conçue génétiquement 

L’équipe a conçu génétiquement cette bactérie, qui a été produite dans un réservoir de dioxyde de carbone à haute pression, en ajoutant des gènes pour la production d’isobutanol. Ils ont ensuite montré comment le dioxyde de carbone supercritique pouvait résoudre deux problèmes importants qui affectaient les méthodes classiques de production de biocarburants: les faibles rendements et la contamination bactérienne.
Timko, qui a reçu un prix CAREER de la National Science Foundation en 2016 pour son travail sur les biocarburants, a analysé le processus et a montré que le biocarburant pouvait être fabriqué avec cinq fois moins d’énergie que les procédés de fabrication traditionnels, le rendant ainsi moins coûteux, plus efficace et plus écologique.
«Nous avons effectué des calculs pour prouver que ce processus fonctionne bien, a-t-il déclaré. «Nous avions l’intuition que cela fonctionnerait, mais la question était de savoir si cela serait économe en énergie. Il s’avère que c’est le cas. L’art de la recherche a été de créer la technique d’extraction. Pratiquement tous les moyens de séparer les mélanges avaient déjà été essayés avec de l’isobutanol, mais nous avons mis au point le bon processus. »

Le MIT a participé à l’élaboration du processus

Timko coauteur du papier avec Kristala Jones Prather, professeur de génie chimique au MIT, et Janelle R. Thompson, directrice associée de l’Alliance Singapour-MIT pour la recherche et la technologie, qui ont travaillé avec lui sur ce projet depuis 2015, quand ils collectivement ont reçu un prix de 1,5 million de dollars du ministère de l’Énergie. L’Université a reçu 500 000 dollars de cette subvention pour les travaux de Timko sur la modélisation des processus, l’extraction de biocarburants et l’analyse des processus. L’équipe du MIT a travaillé sur la microbiologie et le génie génétique.

L’isobutanol est fabriqué dans un bioréacteur en faisant fermenter de la biomasse à l’aide de microorganismes. Le produit final est extrait avec des solvants organiques, souvent inflammables, toxiques et coûteux. Les scientifiques ont essayé d’augmenter le rendement de la réaction en utilisant des techniques plus conventionnelles, telles que l’adsorption, la distillation et l’extraction liquide, mais avec des résultats limités.

Un procédé d’extraction qui consomme environ six fois moins d’énergie

L’équipe de recherche a résolu ce problème en remplaçant les solvants organiques par du dioxyde de carbone supercritique, qui est un état fluide du gaz maintenu au-dessus de sa température et de sa pression critiques. Timko a montré qu’en utilisant ce solvant abondant et renouvelable, il était capable d’extraire l’isobutanol assez rapidement pour l’empêcher d’atteindre des niveaux qui auraient sinon pu arrêter la fermentation. L’analyse de Timko montre que ce procédé au dioxyde de carbone supercritique consomme environ six fois moins d’énergie que tout autre procédé d’extraction.
Le microbe pour produire le biocarburant, ne possédait pas les gènes nécessaires à sa production. L’équipe du MIT a donc dû les ajouter via le génie génétique. Des tests ont montré que Bacillus megaterium SR7 modifié pouvait produire de l’isobutanol en se développant dans du dioxyde de carbone supercritique.
L’équipe de Timko a effectué des calculs sur l’ensemble du processus de croissance de l’organisme, consistant à produire de l’isobutanol, à l’extraire du mélange de fermentation et à le récupérer afin qu’il puisse être utilisé comme combustible. «Nous avons utilisé 30 années d’expérience scientifique pour construire ce processus», a-t-il déclaré. «Avoir un organisme qui peut se développer dans du dioxyde de carbone supercritique n’est pas un problème, mais produire de l’isobutanol et pouvoir le siphonner au bon taux était assez difficile.».

Il reste quelques questions à résoudre

Timko a noté qu’il restait des questions à résoudre. Par exemple, ils veulent savoir comment produire de l’isobutanol de manière plus efficace dans un fluide supercritique et comment mettre au point le microbe afin qu’il se réplique plus rapidement. «Pensez à Bacillus megaterium comme à une petite usine de produits chimiques», a-t-il déclaré.
«Cette usine de produits chimiques se réplique elle-même; plus elle est capable de se copier elle-même, mieux elle peut produire un biocarburant. Nous avons besoin d’autant de petites usines microscopiques que possible. C’est le défi que les chercheurs tentent de relever: comment garder ces petites créatures en vie assez longtemps pour qu’elles génèrent le volume d’isobutanol dont nous avons besoin.”
L’équipe espère résoudre ce problème le plus rapidement possible. Ce qui permettra de produire de l’isobutanol plus facilement pour alimenter les véhicules et ainsi réduire les gaz a effet de serre.
Source : Worcester Polytechnic Institute
Crédit photo : Pixbay

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