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Les biocarburants de demain : comprendre et modéliser l’hydrolyse enzymatique

Décembre 2016

La production d’éthanol à partir de ressources lignocellulosiques, dit bioéthanol de 2e génération (ou 2G) est une des voies explorées aujourd’hui pour diversifier l’approvisionnement en carburants durables dans les prochaines années. A ce titre, IFPEN étudie l’hydrolyse enzymatique, l’un des points clés dans le développement des procédés industriels associés.

Parmi les différentes opérations unitaires du procédé de production d’éthanol biosourcé 2G, la conversion de la cellulose en glucose par hydrolyse enzymatique revêt un caractère particulier par sa complexité de mise en œuvre et son impact économique. Cette complexité est liée au cocktail enzymatique employé qui doit contenir, a minima, 3 familles d’enzymes de fonctionnalités différentes (cf. figure 1) :

  • les endoglucanases qui s’adsorbent sur les chaînes de cellulose et attaquent ces dernières de manière aléatoire. Elles créent alors de nouvelles chaînes de cellulose, plus petites, qui pourront être hydrolysées par les cellobiohydrolases,
       
  • les cellobiohydrolases qui dépolymérisent les chaînes de cellulose de manière processive en produisant un dimère soluble de glucose, le cellobiose,
       
  • les β-glucosidases qui, en phase liquide, transforment finalement le cellobiose en glucose.

L’hydrolyse enzymatique impactée par les caractéristiques compositionnelles et structurales de la ressource lignocellulosique, selon son origine et les prétraitements subis, peut s’avérer plus ou moins récalcitrante, selon des mécanismes encore mal compris aujourd’hui.

C’est pourquoi IFPEN a initié au cours des années 2000 une démarche de modélisation visant à appréhender les cinétiques d’hydrolyse enzymatique sur les substrats lignocellulosiques [1-2] :

  • Une première thèse s’est focalisée sur l’étude cinétique complète d’une cellulose modèle en utilisant les enzymes seules ou en mélange. Les résultats obtenus ont permis de déterminer les mécanismes réactionnels élémentaires, les effets synergiques et les paramètres cinétiques associés pour les différentes famille d’enzymes du cocktail (cf. exemple de la figure 2).
  • Ce travail a ensuite été complété par une seconde thèse destinée à prendre en compte les principales caractéristiques d’un substrat lignocellulosique prétraité (taille des particules, distribution du degré de polymérisation des chaînes de cellulose, etc…).

L’ensemble des connaissances obtenues a été intégré dans un modèle, prenant en compte la composition du cocktail enzymatique mais aussi les caractéristiques de la lignocellulose prétraitée [3]. Ce modèle permet d’étudier l’impact de la composition des cocktails sur leur performance en hydrolyse, comme l’illustre la figure 3.

A terme, ce type d’approche va permettre de guider le développement de cocktails enzymatiques plus performants, d’optimiser leur mise en œuvre mais aussi de prédire la réactivité des substrats lignocellulosiques.

Contact scientifique : nicolas.lopes-ferreira@ifpen.fr

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Publications :

  1. M. Chauve, Modélisation cinétique de l'hydrolyse enzymatique des substrats cellulosiques, Thèse de l’Université de Grenoble, 2011.
       
  2. M. Huron, Modélisation cinétique de l’hydrolyse enzymatique de biomasse lignocellulosique, Thèse de l’Université de Grenoble, 2014.
       
  3. M. Huron, D. Hudebine, N. Lopes Ferreira, D. Lachenal, Mechanistic modeling of enzymatic hydrolysis integrating substrate morphology and cocktail composition, Biotechnology and Bioengineering, 113(5), p.1011-1023, 2016.

 

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