Valorisation du perméat de lactosérum par biotechnologie verte

Projet intitulé:

Développement d’une biotechnologie verte innovatrice pour valoriser des coproduits fromagers : le procédé Biobac

Faits saillants

• Ce projet vise la transformation du lactose contenu dans le lactosérum et le perméat en diols (2,3-butanediol (BD) ou en acétoïne (A)) par l’intermédiaire d’un procédé de fermentation dénommé Biobac qui met en œuvre une bactérie génétiquement améliorée.
• Le projet est divisé en trois parties :
  • Les gènes permettant la production de BD et A ont été synthétisés chimiquement et ajoutés au chromosome de la bactérie Escherichia coli. Des mutations inactivant des gènes clés de cinq voies de fermentation compétitrices ont été générées, augmentant ainsi les rendements en ces deux produits et diminuant l’abondance d’autres sous-produits.
  • Les premiers résultats de fermentation du lactosérum et du perméat de lactosérum à l’échelle laboratoire donnent des rendements en diols respectivement de 19 et 12 % (masse de soluté / masse de solution). L’optimisation des conditions de fermentation est en cours.
  • Afin de vérifier la faisabilité économique et environnementale de la valorisation du lactosérum et de son perméat, une analyse du cycle de vie couplée à l’indice d’éco-efficience est en cours.
• Trois tailles d’entreprise de production fromagère sont à l’étude. Cinq scénarios de valorisation des coproduits fromagers sont considérés dont la production de concentrés de protéines du lactosérum (CPL), de biogaz, et le nouveau procédé Biobac en considérant la valorisation de lactosérum et de son perméat. Ces comparaisons permettront d’identifier les procédés plus efficaces de points de vue économique et environnemental.

Objectifs

Modifier génétiquement une bactérie afin de produire par fermentation en une étape deux produits à valeur ajoutée et étudier l’impact environnemental et l’éco-efficience du procédé.

Objectifs spécifiques:

• Développer par génie métabolique des souches bactériennes Escherichia coli capables de produire des molécules d’intérêt commercial comme l’acétoïne et/ou le 2-3 butanediol. Valider l’application pour valoriser les coproduits de production fromagère comme le lactosérum ou son perméat, contenant une concentration importante de lactose pouvant être fermenté.
• Optimiser la fermentation à l’échelle laboratoire sous diverses conditions opératoires du lactosérum et de son perméat en présence de la bactérie modifiée.

Résultats et bénéfices potentiels

• Les travaux ont permis d’identifier trois gènes codant pour des enzymes permettant de transformer successivement le pyruvate provenant de la glycolyse en acétolactate puis en acétoïne et finalement en 2-3 butanediol. Ces gènes ont été synthétisés puis intégrés au chromosome d’Escherichia coli ce qui a permis la production de ces molécules. Par la suite, une série de délétions dans les cinq voies de fermentation a été créée pouvant potentiellement compétitionner la production d’acétoïne et de 2-3 butanediol. L’ajout de la voie métabolique du 2-3 butanediol couplé à la délétion de certaines voies de fermentation endogènes à E. coli permet d’obtenir les meilleurs rendements lors de la fermentation du glucose. Toutefois, les rendements en diols demeurent modestes (15-20g/L).
• Au niveau de la fermentation du lactose (25 g/L) (à l’échelle laboratoire en présence de M9 et d’urée, de Mg et de Ca, sous une température de 37 ⁰C, un pH initial d’environ 7, et sous pression atmosphérique), le rendement en diols est de 21 % (m/m) après 120 h de fermentation, tandis qu’il est de 18 % (m/m) après 24 h avec une concentration de lactose de 12.5 % (g/L). Sous des conditions opératoires identiques, le rendement en diols obtenus à partir du lactosérum et de son perméat est inférieur à 20 % (m/m).
• En ce qui a trait à l’étude environnementale et à l’éco-efficience, les points abordés concernent :
  • la valorisation de coproduits laitiers qui peuvent avoir une valeur commerciale offrant une source d’approvisionnement durable alternative au pétrole;
  • l’amélioration de la qualité de vie et de la protection des ressources naturelles (l’eau) par la réduction de la DBO et de la DCO des rejets industriels de la transformation laitière;
  • le développement de références pour l’analyse de cycle de vie afin de calculer l’éco-efficience de la valorisation du lactosérum et de son perméat.
• Ces points constitueront la première étude qui comparera un processus de valorisation de coproduits fromagers dans le contexte québécois. L’étude d’analyse du cycle de vie et de l’éco-efficience permettra d’identifier les procédés ou les étapes critiques afin de créer des stratégies liées à la diminution de l’impact environnemental.

Professionnels formés

Angela Maria Trivino, étudiante en maîtrise en génie agroalimentaire.
Jean-François Rousseau, étudiant à la maîtrise.
David Fernandez, étudiant au doctorat.

Partenaires financiers

Entente de partenariat pour l’innovation en production et en transformation laitières (EPI 2011-2017) :

• Fonds de recherche du Québec – Nature et technologies
• Ministère de l’Agriculture, des Pêcheries et de l’Alimentation du Québec
• Novalait