Développement d'une biotechnologie verte innovatrice pour valoriser des résidus fromagers : le procédé Biobac


Au Québec, l'industrie laitière fait partie des secteurs industriels parmi les plus florissants. Le projet intitulé Développement d'une biotechnologie verte innovatrice pour valoriser des résidus fromagers était basé sur la valorisation des rejets liquides de l'industrie fromagère à savoir le lactosérum et le perméat de lactosérum. En particulier, le projet visait la transformation par voie biologique du lactose contenu dans les 2 sources de matière première en alcools (acétoine et 2-3 butanediol), plateformes pour obtenir d'autres produits chimiques industriels.

Objectif

L'objectif principal du projet était de modifier génétiquement une souche d'Escherichia coli, d'en sélectionner des mutants afin de produire directement par fermentation à partir du lactose contenu dans le lactosérum et le perméat de lactosérum des alcools (2-3 butanediol et acétoine).

Résultats obtenus et retombées

Le projet était divisé en 4 volets.

Le 1er volet visait à bâtir, selon les concepts de la biologie synthétique, un microorganisme (Escherichia coli) produisant efficacement du 2-3 butanediol (BD) à partir du lactose contenu dans le lactosérum comme source de carbone. Les gènes codant pour les enzymes permettant d'utiliser le pyruvate provenant de la glycolyse pour le convertir successivement en alpha-acétolactate, en acétoine puis en BD ont tout d'abord été synthétisés puis introduits dans E. coli. Il a été montré que cette voie métabolique était fonctionnelle avant de produire d'autres mutants à partir de cette souche initiale. Chez ces mutants, chacune des voies de fermentation naturellement présentes chez E. coli (acide lactique, succinate, fumarate, éthanol et acétate) était inactivée de manière individuelle ou en combinaison, afin de rediriger les ressources cellulaires vers la voie de synthèse du BD. Ces modifications génétiques ont permis une augmentation de près de 7 fois de la production d'acétoine et de BD comparativement à la souche initiale. Des essais ont ensuite été réalisés en fermenteurs de 3.6 L. Ils ont démontré que les souches modifiées d'E. coli pouvaient non seulement utiliser des sucres purifiés mais également le perméat de lactosérum industriel. Finalement le nombre de copies de la voie métabolique permettant la synthèse du BD, a été augmenté, ce qui a résulté en une amélioration de la productivité maximale de près de 20 fois par rapport à la souche initiale sous les mêmes conditions opératoires de fermentation.

Le 2e volet et le 3ème volet visaient la transformation du lactosérum et du perméat de lactosérum en alcools par fermentation en utilisant la souche Escherichia coli sauvage (système de référence) et modifiée génétiquement. Un système de référence composé de glucose/galactose a été utilisé. Parmi 4 milieux de culture, le milieu M9 a été sélectionné. Il a été montré que la souche d'Escherichia coli modifiée produisait des alcools contrairement à la souche sauvage. Le meilleur rendement en alcools a   été de 19 g/g après 24 heures. Quant au perméat de lactosérum, le rendement maximal en alcools était de 18 g/g après 48 heures. L'influence de la température, du pH initial et de l'agitation ont été étudiés. Une température de 37 C, un pH initial de 7.4 et une aération comprise entre 100 et 200 rpm sont conseillées. La comparaison de 2 sources d'azote a montré que l'urée s'avérait la plus intéressante. L'influence de 2 ions (Mg2+ et Ca2+) a été étudiée et a révélé que ces ions permettaient d'accroître le rendement en acétoine. Des études en fermenteur de 2 L seront effectuées en Été 2017 avec la dernière souche mutante mise au point.

Le 4e volet était dédié à une étude sur la faisabilité économique de la valorisation du lactosérum, à une analyse de cycle de vie (ACV) et à un calcul d'éco-efficience. L'étude environnementale a été subdivisée en 3 parties. La 1ère partie comportait une comparaison de l'impact environnemental des divers procédés de production du BD (bioprocédé actuel versus procédé chimique). La 2ème partie consistait à comparer l'impact environnemental entre la valorisation du lactosérum et du perméat de  lactosérum en utilisant le bioprocédé actuel. La 3ème partie incluait une étude économique des produits obtenus par le bioprocédé, soit l'acétoine ou le BD. Les résultats ont montré que la production de BD à partir des résidus fromagers permet de réduire les émissions de gaz à effet serre (GES) de 35 % par rapport au procédé issu de l'exploitation pétrolière. Selon les données, l'impact environnemental de la valorisation du perméat est plus élevé que celui de la valorisation du lactosérum dû à la haute concentration de lactose. Au niveau économique, la production d'acétoine ou de BD est avantageuse sur le marché par rapport aux produits actuels à base de lactosérum.

Membres de l'équipe

Ce projet interdisciplinaire initié par l'Université de Sherbrooke (UdeS) a impliqué les Facultés de génie et de sciences. Il a été dirigé par les professeurs Michèle Heitz (Génie), Nathalie Faucheux (Génie), Sébastien Rodrigue (Sciences) et Ryszard Brzezinski (Sciences). Dr Antonio Avalos Ramirez du Centre National en électrochimie et en Technologies Environnementales (CNETE), Shawinigan, a également participé. Les chercheurs Dr Stéphane Godbout, Luc Belzile et Frédéric Pelletier de l'Institut de Recherche et de Développement en Agroenvironnement (IRDA), Québec et le professeur Damien de Halleux (Université Laval, Québec) ont réalisé l'analyse du cycle de vie. Une collaboratrice internationale, professeure Anne Giroir-Fendler de l'Université de Lyon 1, France, spécialiste en catalyse, interviendra dans ce projet pour la synthèse de catalyseurs hétérogènes (thèse d'un étudiant au doctorat en cotutelle). Trois (3) étudiants aux cycles supérieurs auront été

Chercheuse responsable

Michèle Heitz, Université de Sherbrooke

Équipe de recherche

  • Avalos Ramirez, Antonio, Institut de recherche et de développement en agroenvironnem (IRDA)
  • Belzile, Luc, Institut de recherche et de développement en agroenvironnem (IRDA)
  • Brzezinski, Ryszard, U. de Sherbrooke
  • De Halleux, Damien, U. Laval
  • Faucheux, Nathalie, U. de Sherbrooke
  • Giroir-Fendler, Anne, Université Lyon 1 - Claude Bernard
  • Godbout, Stéphane, Institut de recherche et de développement en agroenvironnem (IRDA)
  • Rodrigue, Sébastien, U. de Sherbrooke

Durée

2014-2017

Montant

220 000 $

Partenaires financiers

  • Ministère de l'Agriculture, des Pêcheries et de l'Alimentation
  • Novalait inc.

Appel de propositions

Innovation en production et en transformation laitières - VI