Cycle du Carbone

Carbone et quelques applications biotechnologiques

Carbone et quelques applications biotechnologiques I : Le cycle du Carbone

II : Synthèse d’exopolysaccharides microbiens

III : La méthanogénèse

I – Le cycle du carbone : forme simplifiée

Processus aérobie

Processus anaérobie

CO2

COFormes minérales

(CH2O)n

Formes organiques

AUTOTROPHES

Organismes photosynthétiques, algues vertes, cyanobactéries

HETEROTROPHES

Respiration, décarboxylation, fermentation …

De très nombreux micro-organismes

C organique

I – Le cycle du carbone :

Algues, Bactéries,plantes

Biomasse microbienne NUTRITION Animaux NUTRITION

CO2 Chimioautotrophesphototrophes

CH4

méthanogènes

méthylotrophes

CH4

méthanogènes

méthylotrophesFERMENTATION

FERMENTATION

Réserve de C organique

Mort / dégradation

ExcrétionMort / dégradation

NUTRITIONHétérotrophes

(Saprophytes)

O2

H2ORESPIRATION

Production de la matière organique Fixation autotrophe

Cycle de Calvin / rubisco (phase obscure de la photosynthèse)

Cycle de l’oxaloacétate (inverse du cycle de Krebs)

Assimilation hétérotrophe

Dégradation de la matière organique : les polymères

Deux fonctions : énergie, structure Décomposition des polymères : variable

selon leurs structures Amidon : facile, tout type de microorganisme Cellulose, lignine : très abondant mais peu de

microorganismes peuvent les dégrader Aérobiose : Trichoderma (moisissure), Cytophaga

(bactérie) Anaérobiose : Clostridium thermocellum (compostage)

Dégradation de la matière organique : les monomères Glucides :

Glycolyse , Entner Doudoroff, HMP Aérobiose : décarboxylation oxydative Anaérobiose : fermentations : divers produits

Acides aminés : Transamination Désamination, décarboxylation

Lipides oxydation, glycolyse (glycérol en aérobiose)

II – Les exopolysaccharides microbiens Homo ou hétéro polymères Sous forme de capsule ou en gel (slime)

autour de la cellule Rôles :

Protection / dessiccation, système immunitaire (pathogène), virus, produits chimique

Facilite l’attachement aux surfaces Réserve de carbone et d’énergie

Exemples d’exopolysaccharides microbiensAlginate Hétéropolymère linéaire d'acide

L-guluronic et D-mannuronic contenant quelques groupement O-acetyl

Pseudomonas Azotobacter vinlandii

Stabilisant IAAtexturant dans industrie papetière et textile

Cellulose Homopolymère : 1-4 glucane Acetobacter xylinum Peau artificielle temporaire : traitement des brûlés et chirurgiesmembrane acoustiqueingrédient alimentaire

Chitine Homopolymère : N acetyl glucosamine et ces dérivés déacétylés (chitosane)

Paroi des champignons Actuellement carapace des crustacés+ rapide d'extraire à partir des champignonsagent chélatant : conservateur et clarifiant

Curdlane Homopolymère : 1-3 glucane AlcaligenesAgrobacterium

Utiliser au japon comme agent gélifiant dans de nombreuses préparations alimentaires (non homologué en EU et US)

Dextrane Leuconostoc mesenteroïdes

Supplément plasmatique

Cas de la production de xanthane Xanthomonas campestris

Petit bacille Gram , aérobie, mobile Parasite de nombreuses plantes (riz,

choux, citron) Producteur de xanthane (gomme)

Xanthane Gel stable à hautes températures 20.000 tonnes /an Agent gélifiant et stabilisant : (E415)

sauce salade, crème glacée, pâte dentifrice, cosmétiques, peintures à l’eau

Lubrifiant de forage

Schéma de la production de xanthaneRéalisation de l'inoculum (préculture)

Ensemencement à 5% (v/v)

Fermentation

Pasteurisation du moût

Purification de la gomme

Centrifugation ou filtration

Précipitation de la gomme

Ajout de solvants

Séchage sur filtre rotatif ou vaporisation Conditionnement

Recyclage du solvant

Milieu riche développement de la biomasse

Fed Batch : STR 50 à 200 m3

Facteur limitant : N (D : 0.025 à 0.05 h-1)

Aération : 1 vvm

Source de C : amidon, dextrines, mélasse, lactosérum, sirop de maïs, …

Source d’N : caséine, farine de poisson, sels d’ammonium, peptones, corn steep, urée, …

Température : 28 à 30°C

pH : 7Durée : 3 jours

Métabolite partiellement associé25 à 50 g/L

développement des propriétés des xanthanes

III – La méthanogènèse et la transformation des déchets Biomasse valorisable

Plantes aquatiques & terrestres Déchets animaux : fumier, lisier, fiente … Déchets humains : boues des stations, ordures

ménagères, matières de vidanges, … Déchets industriels

Techniques de valorisation Conversion chimique ou enzymatique Bioproduction Fermentation

Aérobie : compostage, formation de POU Anaérobie : méthanique, éthanolique, cétobutyrique

Les étapes de la fermentation anérobie

CH4 + CO2

B Méthanogènes acétoclastes

B homoacétogènes

CH4

B méthanogènes hydrogénophiles

Acétate

Hydrolyse et acidogenèse

Acétogenèse

Méthanogenèse

Macro‑molécules

Monomères

Hydrolyse enzymatique B acidogènesClostridiumBacillus

B acétogènes

B acidogènes

Bactéries aérobies facultatives ou anaérobies

Acides organiques, alcools...

CO2 + H2

Bactéries acétogènes

Homo-acétogènes : Clostridium, Acetobacterium Production uniquement d’acétate à partir de de

CO2 ou de substrat carboné

Bactéries syntrophes Pression partielle en H2 très basses Vie en association avec bactéries méthanogènes

hydrophiles & bactéries sulfatoréductrices Bactéries sulfatoréductrices

Exemples de réactions de conversion dans les écosystèmes anaérobiesRéactions Énergie libre G° (kJ)

Bactéries hydrolytiques  

lactate + H2 ――> propionate + H20 - 79,9

glucose + 4H20 ――> 2 acétate- + 2 HC03- + 4H+ + 4H2 -206,3

Bactéries acétogènes productrices d'hydrogène  

propionate- + 3H20 ――> acétate- + HC03-+ H+ +3H2 + 76,1

butyrate- + 2H20 ――> 2 acétate- + H++ 2H2 + 48,1

éthanol + H20 ――> acétate- + H+ + 2H2 + 9,6

Bactéries méthanogènes  

HC03- + 4H2 + H+ ――> CH4 + 3H20 -135,6

acétate- + H20 ――> CH4 + HC03- - 31,0

Fermentation méthanique

Bactéries autotrophes Homoacétogène Méthanogènes hydrogénophiles (tractus intestinal

des ruminants) Bactéries hétérotrophes

Méthanogènes acétoclastes (70% de la production de biogaz)

Voies productrices d’énergie chimique

Équivalence énergétique

1 kg de glucose = 814L de gaz : CH4 & CO2 (v/v)

1 m3 de méthane

8 570 kcal

1,15 L d'essence1,7 L d'alcool à brûler

0,94 m3 de gaz naturel 1 L de mazout

2,1 kg bois9,7 kW/h d’électricité1,3 kg de charbon