Le dioxyde de carbone, autrefois considéré comme un simple déchet de la civilisation industrielle, est aujourd'hui réinventé comme une ressource première précieuse. Le défi du changement climatique a stimulé des recherches intenses en technologies qui peuvent capter et convertir le CO2 en produits chimiques, combustibles et matériaux utiles. Parmi les approches les plus prometteuses, on peut citer les bioprocédés qui tirent parti de la puissance des organismes vivants ou de leurs enzymes pour transformer ce gaz à effet de serre en produits commercialisables.

Contrairement à la catalyse chimique traditionnelle, qui nécessite souvent des températures et des pressions élevées, les systèmes biologiques peuvent fonctionner dans des conditions douces, offrant des avantages potentiels en matière d'efficacité énergétique et de sélectivité. L'objectif est de créer des processus industriels économiquement viables et bénéfiques pour l'environnement, transformant un problème mondial en une opportunité d'innovation.

Le défi carbone : pourquoi la conversion du CO2 est critique

Bien que la réduction des émissions demeure la priorité, la réalité est que de nombreux secteurs industriels, comme le ciment, l'acier et la fabrication de produits chimiques, continueront de produire du CO2 en tant que sous-produit inhérent. Les technologies de captage, d'utilisation et de stockage du carbone (CCUS) sont donc essentielles. Parmi les voies d'utilisation, la conversion biologique offre un avantage unique : elle peut produire des molécules complexes et de grande valeur qui sont difficiles à synthétiser par les voies chimiques classiques.

Le concept d'économie circulaire du carbone envisage le CO2 comme une source de carbone renouvelable. Au lieu d'extraire du carbone fossile du sol, nous recyclons le carbone déjà présent dans l'atmosphère. Ceci s'harmonise avec les principes de l'écologie industrielle, où les déchets d'un procédé deviennent une matière première pour un autre. Les bioprocédés s'inscrivent naturellement dans ce cadre parce qu'ils peuvent utiliser le CO2 comme seule source de carbone pour construire des composés organiques, inversant ainsi efficacement la combustion.

Voies biologiques pour la fixation du CO2

La nature a évolué plusieurs voies pour fixer le carbone inorganique en molécules organiques. Le plus célèbre est le cycle Calvin-Benson-Bassham utilisé par les plantes, les algues et les cyanobactéries. Cependant, divers microorganismes utilisent des voies alternatives telles que le cycle inverse de l'acide tricarboxylique, le chemin Wood-Ljungdahl et le vélo 3-hydroxypropionate. Chaque voie a des exigences énergétiques et des rendements distincts, influençant les produits qui peuvent être fabriqués économiquement.

Fermentation microbienne utilisant des bactéries oxydantes à l'hydrogène

L'un des groupes les plus étudiés pour la conversion du CO2 est la bactérie oxydante de l'hydrogène, également appelée « knallgas ».Ces organismes utilisent l'hydrogène comme source d'énergie et le CO2 comme source de carbone, en croissance autotrophique.Des espèces comme Ralstonia eutropha (maintenant Cupriavidus necator) ont été conçues pour produire une gamme de produits chimiques, y compris les polyhydroxyalcanates (PHA), qui sont des plastiques biodégradables et divers alcools.

Par exemple, en éliminant les voies concurrentes et en surformant les enzymes clés, les scientifiques ont augmenté le rendement de l'isopropanol provenant du CO2 dans C. necator. Ces améliorations sont essentielles pour rendre le processus économiquement concurrentiel avec les voies pétrochimiques. De plus, l'utilisation d'électricité renouvelable pour produire de l'hydrogène par électrolyse permet que l'ensemble du processus puisse être alimenté par l'énergie solaire ou éolienne, créant un cycle vraiment durable.

Systèmes de cascades enzymatiques

Alors que les bioprocédés à cellules entières offrent auto-réplication et robustesse, les systèmes enzymatiques fournissent une grande spécificité et des vitesses de réaction rapides sans les coûts d'entretien des cellules vivantes. Les chercheurs ont conçu des voies enzymatiques artificielles qui convertissent le CO2 en composés multicarbonés. Un exemple notable est le développement d'un cycle de fixation du carbone synthétique plus rapide que le cycle Calvin.

Ces systèmes in vitro nécessitent une régénération minutieuse du cofacteur, utilisant généralement NAD(P)H ou ATP comme monnaie énergétique. Parmi les percées récentes, on peut citer l'utilisation de photocatalyseurs ou de cellules électrochimiques pour régénérer les cofacteurs, en conciliant la réaction enzymatique avec les sources d'énergie renouvelables.

Bioréacteurs alcalins et cyanobactériens

Les microorganismes photosynthétiques comme les algues et les cyanobactéries utilisent directement la lumière du soleil pour fixer le CO2, éliminant ainsi le besoin d'un vecteur énergétique externe comme l'hydrogène. Ces organismes peuvent accumuler des niveaux élevés de lipides, de glucides ou de pigments, qui peuvent être extraits pour les biocarburants, les compléments alimentaires ou les produits chimiques spécialisés.

L'ingénierie génétique des cyanobactéries a progressé de façon significative, permettant la production de composés comme le 2,3-butanediol, l'isobutyraldéhyde et le limone directement à partir du CO2 et de la lumière. Cependant, obtenir des titres et des rendements élevés est difficile parce que l'efficacité photosynthétique est limitée par la saturation de la lumière et les besoins énergétiques du cycle Calvin. Les chercheurs explorent des stratégies telles que la réduction de la taille de l'antenne pour minimiser la photoinhibition et réorienter le flux de carbone vers les produits désirés.

Défis de la commercialisation

La transition des expériences de banc à la réalité industrielle implique de surmonter des obstacles techniques et économiques importants.Les défis les plus pressants sont notamment la faible efficacité de conversion, les coûts de production élevés et les problèmes de mise à l'échelle des processus. Une mesure clé est la productivité du bioprocessus, souvent mesurée en grammes de produit par litre par heure. Pour la plupart des systèmes de conversion biologique du CO2, cette valeur est encore des ordres de grandeur inférieurs à celle des processus pétrochimiques classiques.

Le gaz de combustion provenant de sources industrielles contient généralement 10 à 25 % de CO2 avec des impuretés comme les oxydes d'azote et les oxydes de soufre, qui peuvent être toxiques pour les microbes. Le traitement préalable du gaz pour éliminer ces contaminants entraîne des coûts supplémentaires. De même, le transfert de masse de substrats gazeux (CO2, H2, O2) dans le milieu de culture liquide limite souvent la vitesse. Les ingénieurs développent des contacteurs gaz-liquides avancés, tels que des bioréacteurs à membrane en fibre creuse, pour améliorer la solubilité et les taux de transfert de gaz.

La stabilité à long terme du système biologique est également préoccupante. En fonctionnement continu, les populations microbiennes peuvent évoluer, perdre de la productivité ou se contaminationr. Les stratégies pour y remédier comprennent l'utilisation d'organismes thermophiles qui fonctionnent à des températures élevées (réduction du risque de contamination), la mise en place de circuits génétiques robustes pour le contrôle métabolique et l'élaboration de modèles bioréacteurs stériles. La viabilité économique dépend en fin de compte de la valeur du produit : les produits chimiques à forte quantité et à faible coût (p. ex. l'éthanol) nécessitent des procédés extrêmement efficaces, tandis que les produits chimiques à faible volume et à haute valeur (p. ex. les produits pharmaceutiques) peuvent tolérer des coûts de production plus élevés.

Innovations et frontières de la recherche

Le champ avance rapidement, entraîné par des outils de biologie synthétique, d'apprentissage machine et de science des matériaux. Une frontière passionnante est l'ingénierie de chemins de fixation du carbone artificiel qui dépassent l'efficacité de la nature. Par exemple, le cycle CETCH (crotonyl-CoA/éthylmalonyl-CoA/hydroxybutyryl-CoA) a été conçu à partir de rayures à l'aide d'enzymes de neuf organismes différents et est capable de fixer le CO2 à une vitesse plus rapide que le cycle Calvin.

Des bases de données comme KEGG et MetaCyc, combinées à des modèles métaboliques à l'échelle du génome, permettent aux chercheurs de simuler les distributions de flux et d'identifier des cibles de sortie qui canalisent le carbone vers les produits souhaités. De plus, les techniques de dépistage à haut débit et d'évolution orientée améliorent les performances des enzymes clés comme RuBisCO, qui est notoirement lent et sujet aux réactions secondaires.

Les procédés électromicrobiens utilisent des électrodes pour fournir des équivalents de réduction directement aux microorganismes, contournant ainsi le besoin de gaz hydrogène. Par exemple, certaines bactéries peuvent accepter des électrons de cathodes pour réduire le CO2 en acétate ou d'autres composés.Cette approche, appelée électrosynthèse microbienne, permet un raccordement direct entre l'électricité renouvelable et la production chimique, simplifie potentiellement la conception du réacteur et augmente l'efficacité énergétique.Electrochaea commercialise de telles technologies pour produire du biométhane à partir du CO2 et de l'énergie renouvelable.

Impact économique et environnemental

Une évaluation approfondie du cycle de vie (LCA) est essentielle pour confirmer que les bioprocédés de conversion du CO2 réduisent véritablement les émissions de gaz à effet de serre. L'avantage environnemental net dépend de la source d'énergie, de l'efficacité du captage du carbone et du devenir des produits. Si le procédé utilise de l'électricité ou de l'hydrogène dérivés des fossiles, le bilan global du CO2 peut être moins favorable.

Le potentiel économique des produits chimiques dérivés du CO2 est considérable, et les marchés de ces produits couvrent les produits chimiques en vrac (méthanol, éthanol, acide formique), les polymères (polycarbonates, polyols, composés spéciaux, par exemple, acide succinique, acide lactique). Le marché mondial de l'utilisation du carbone devrait atteindre des milliards de dollars d'ici 2030, sous l'impulsion d'incitations politiques et d'objectifs de durabilité des entreprises.

Pour que les bioprocédés réussissent sur le plan économique, ils doivent soit atteindre des rendements de conversion très élevés, soit cibler des marchés où les consommateurs sont disposés à payer une prime pour les produits «négatifs au carbone». Les progrès récents dans l'intensification des processus, comme la fermentation continue et la récupération de produits in situ, contribuent à réduire les coûts de capital et d'exploitation. De plus, le développement de souches pouvant produire plusieurs produits à partir d'un seul produit d'alimentation (concept de biorefinerie) améliore la rentabilité globale.

Applications et études de cas dans le monde réel

Plusieurs entreprises et instituts de recherche ont dépassé le laboratoire pour démontrer des opérations pilotes et même commerciales. LanzaTech est un leader notable dans la fermentation des gaz, utilisant un microbe exclusif pour convertir les gaz industriels (y compris le CO2 et le CO) en éthanol, qui est ensuite utilisé pour la production de jets de carburant et de polyester. Leur procédé fonctionne dans les aciéries en Chine et en Belgique, illustrant comment les gaz résiduaires peuvent être transformés en profits.

Dans le domaine de la recherche, le Centre de biochimie synthétique de l'Institut de biologie synthétique de Shenzhen a démontré la synthèse artificielle de l'amidon à partir du CO2 en 2021, un succès historique. Bien que le processus ne soit pas encore évolutif, il prouve que des biopolymères complexes peuvent être fabriqués sans agriculture traditionnelle.Un autre projet, l'initiative BioRECO2VER financée par l'UE, met l'accent sur la conversion du CO2 en produits chimiques de plate-forme tels que l'acide succinique et les PVVIH à l'aide d'un consortium de microorganismes.

Une autre application émergente est la production de protéines monocellulaires (SCP) pour l'alimentation animale ou l'alimentation humaine.Les aliments solaires utilisent des bactéries oxydant l'hydrogène pour produire une biomasse riche en protéines à partir de CO2 et d'électricité, sous la marque «Solein». Ce produit a une empreinte environnementale nettement inférieure aux sources traditionnelles de protéines et démontre que les bioproduits dérivés du CO2 peuvent relever les défis de la sécurité alimentaire.

Perspectives d'avenir: intégration et soutien politique

L'avenir des bioprocédés de conversion du CO2 réside dans l'intégration, avec les systèmes de captage du carbone, les infrastructures d'énergie renouvelable et les installations chimiques existantes. Par exemple, l'appariement d'une unité de fermentation du gaz à une aciérie ou à une centrale électrique crée une relation symbiotique où les déchets de CO2 sont utilisés sur place et les produits chimiques qui en résultent peuvent être vendus ou utilisés comme combustible.

Les mécanismes de tarification du carbone, tels que la taxe sur le carbone ou les systèmes de plafonnement et d'échange, rendent les produits dérivés du CO2 plus compétitifs. De plus, les mandats pour une faible teneur en carbone dans les combustibles et les plastiques peuvent créer des marchés garantis. Le pacte vert de l'Union européenne et la loi américaine sur la réduction de l'inflation contiennent des dispositions qui profitent directement aux technologies du CCUS, y compris les itinéraires biologiques.

Enfin, il faut poursuivre la recherche fondamentale pour libérer tout le potentiel de fixation biologique du carbone. Comprendre comment maximiser l'efficacité de la chaîne de transport électronique dans les organismes photosynthétiques, ou comment créer des consortiums synthétiques qui divisent le travail, pourrait conduire à des améliorations progressives. L'intégration de la biologie avec une fabrication avancée, comme l'impression 3D de composants bioréacteurs, pourrait réduire encore les coûts.