Scalable production and simplified purification of bio-based dodecanedioic acid from renewable plant oil
Cette étude démontre un bioprocédé à l'échelle pilote et évolutif utilisant une souche modifiée de *Candida tropicalis* pour convertir le laurate de méthyle renouvelable en acide dodécanedioïque de haute pureté, couplé à une méthode simplifiée de cristallisation de l'acide acétique qui élimine les étapes de purification complexes et réduit l'impact environnemental.
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Les plastiques qui ont le toucher de la soie mais la résistance de l'acier sont souvent fabriqués à partir d'un bloc de construction chimique spécifique appelé acide dodécanedioïque. Cette molécule est une longue chaîne de douze atomes de carbone avec un groupe acide carboxylique à chaque extrémité, agissant comme un connecteur crucial pour la création de plastiques techniques de haute performance comme le nylon 6.12. Ces matériaux sont prisés pour leur capacité à résister à l'eau et à la chaleur, ce qui les rend idéaux pour les pièces automobiles, les conduites de carburant et les textiles durables. Cependant, pendant des décennies, le monde s'est appuyé sur une méthode dangereuse et polluante pour créer ce bloc de construction. Le processus traditionnel commence par le pétrole, le soumettant à une chaleur et une pression extrêmes tout en utilisant des catalyseurs de métaux lourds pour forcer la structure chimique à se mettre en place. Cette approche comporte des risques importants, notamment le potentiel d'explosions catastrophiques, et lie l'approvisionnement en matériaux essentiels aux prix volatils des combustibles fossiles. Alors que les industries et les consommateurs recherchent de plus en plus des alternatives plus sûres et plus propres, les scientifiques se sont tournés vers la machinerie même de la nature : les microbes. En modifiant génétiquement des levures pour qu'elles accomplissent des transformations chimiques qui nécessitent habituellement des conditions industrielles rudes, les chercheurs espèrent produire ces matériaux vitaux à partir d'huiles végétales renouvelables, transformant un processus chimique dangereux en un processus biologique durable.
Dans une étude récente, une équipe de chercheurs de l'Institut de recherche sur la biomasse et la biotechnologie de Corée et de Lotte Chemical Co. Ltd. a démontré avec succès un moyen de produire en masse ce composant chimique critique via une voie biologique qui est à la fois évolutive et plus propre que la norme industrielle actuelle. Ils se sont concentrés sur un type spécifique de levure, Candida tropicalis, qui possède naturellement la capacité de décomposer les graisses et les huiles. L'objectif de l'équipe était de recâbler cette levure pour qu'au lieu de consommer la graisse pour l'énergie, elle s'arrête à un point spécifique et libère le bloc de construction chimique souhaité. Pour ce faire, ils ont introduit un gène provenant d'un autre microbe, Wickerhamomyces sorbophila, qui agit comme une enzyme hautement efficace pour accélérer une étape spécifique de la conversion chimique. Cette modification a permis à la levure de convertir le laurate de méthyle, un ester gras dérivé de l'huile de coco, directement en acide dodécanedioïque sans rester bloquée sur des étapes intermédiaires toxiques qui ralentissent habituellement la production.
Les chercheurs ont d'abord testé cette levure modifiée dans un petit réservoir de cinq litres, où elle a produit une concentration de 102 grammes du produit chimique par litre de liquide. Encouragés par ce résultat, ils ont transposé le processus à un fermenteur pilote massif de 300 litres, une taille beaucoup plus proche de celle utilisée dans une véritable usine. De manière remarquable, le système de plus grande envergure a été encore plus performant, atteignant une concentration de 105 grammes par litre. Ce passage réussi d'un petit réservoir de laboratoire à une grande cuve de production industrielle a prouvé que le processus biologique est assez robuste pour gérer les complexités de la production de masse sans perdre en efficacité. L'équipe a également optimisé la stratégie d'alimentation, en ajoutant soigneusement le dérivé d'huile de coco à un rythme régulier pour maintenir la santé et la productivité de la levure, garantissant ainsi que le produit chimique ne s'accumule pas à des niveaux toxiques à l'intérieur du réservoir.
Une fois le travail de la levure terminé, l'équipe a été confrontée au défi de séparer le produit chimique du mélange aqueux, une étape qui représente souvent la moitié du coût de fabrication de tels produits. Les méthodes traditionnelles impliquent l'utilisation d'acide sulfurique fort pour précipiter le produit chimique de la solution, ce qui crée une grande quantité d'eaux usées salines difficiles et coûteuses à éliminer. Les chercheurs ont développé une approche plus simple et plus directe utilisant l'acide acétique, un ingrédient courant que l'on trouve dans le vinaigre. En ajustant l'acidité du liquide avec de l'acide acétique et en le chauffant, ils ont pu dissoudre le produit chimique brut, puis le refroidir pour former des cristaux purs. Cette méthode a permis de contourner le besoin d'étapes étendues de lavage et de décoloration, éliminant ainsi totalement la génération de déchets de sels inorganiques. Le résultat fut un produit d'une pureté de 99,4 pour cent et d'une apparence brillante et propre qui égale ou dépasse la qualité des versions disponibles sur le marché issues de combustibles fossiles.
Pour prouver que ce produit chimique biosourcé était véritablement prêt pour le monde réel, les chercheurs l'ont utilisé pour synthétiser du nylon 6.12. Ils ont combiné le produit chimique purifié issu de plantes avec un autre composant pour créer le polymère plastique, testant ses propriétés physiques pour voir comment il se comparait au nylon commercial standard. Le nouveau matériau fondait à 216 degrés Celsius et présentait une excellente durabilité et une résistance à la chaleur, fonctionnant de manière presque identique aux meilleurs produits actuellement sur le marché. Ce travail démontre qu'il est possible de créer des plastiques techniques de haute performance à partir de ressources renouvelables en utilisant un processus plus sûr, plus propre et prêt pour une fabrication à grande échelle. En combinant le génie génétique avec une stratégie de purification simplifiée, l'étude fournit un modèle pratique pour remplacer les processus pétrochimiques dangereux par des processus biologiques durables, offrant une voie viable pour l'avenir de la chimie verte.
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