Solvants eutectiques profonds naturels pour la bioraffinerie de microalgues en cosmétique – DERMIC

Ce projet combine les approches in silico de prédiction de propriétés des solvants via l'outil COSMO RS, avec des mesures expérimentales des paramètres des solvants générés (viscosité, densité, point eutectique), pour le design et la sélection des NaDES.

Une stratégie in silico simplifiée basée sur des descripteurs simples (profil et potentiel de sigma) a ainsi été challengée en remplacement des calculs d'indicateurs nécessisant des compétences poussées en thermodynamique.

L'approche procédé est réalisée en criblant des procédés classique d'éco-extraction (ultrasons, agitation chauffage, micro-onde) à l'aide d'outils de prédictions comme l'approche par plan d'expériences. Des procédés multiphasiques de type solide/liquide/liquide ont également été explorés. Enfin un volet innovation en procédé est également mis en place s'inspirant de matériel industriel de domaines frontières pour repenser totalement l'approche extractive utilisant ces nouveaux solvants.

Ces approches in silico et procédés ont été également intégrés dans une approche plus globale appelée "Smart Selection Strategy", intégrant les contraintes réglementaires et technico-économique du domaine pour proposer des NaDES utilisables comme solvant-ingrédients.

Une librairie de NaDES apolaire ou de polarité intermédiaire a été élaborée selon une approche empirique, conduisant à environ 150 NaDES apolaire ou de polarité intermédiaire. Le pouvoir de solubilisation vis-à-vis des métabolites cibles a été réalisé (acide palmitique, bêta-carotène) ainsi que la caractérisation physico-chimique préliminaire. Un criblage des systèmes NaDES les plus pertinents aux vues des résultats de solubilité préliminaire a été réalisé. Quinze NaDES ont ainsi été criblés par souche, présentant différents états de pré-traitements. Le co-produit d’extraction des phycoprotéines, disponible pour 2 souches, s’est révélé le plus riche en acides gras libres, qui sont nos métabolites apolaires cibles. Il est apparu également que selon le profil lipidique des souches et la structure des parois microalgales, les NaDES les plus performants n’étaient pas identiques, mettant en lumière plutôt des couples NaDES/souche prétraitées. Sur le volet phycoprotéines, seules 2 souches sont concernées. Une approche de criblage exploratoire a permis d’identifier les NaDES à base de glycérol comme les plus pertinents. Une optimisation d’extraction par ultrasons utilisant les approches de DoE et ANN.

Afin de limiter les opérations unitaires, un procédé d'extraction solide/liquide/liquide utilisant des couple de 2 NaDES ou NaDES/eau a été développé. Ce procédé appliqué avec succès aux 2 souches enrichies en phycoprotéines a permis la préparation et purification en une seule étape des fractions polaires tout en conduisant à des fractions apolaires significativement plus enrichies en acides gras libres et pigments. Les NaDES de la librairie font actuellement l’objet d’une étude in silico utilisant l’approche COSMO-RS. Une approche de sélection a priori simplifiée basée sur des descripteur "sigma" facilement accessible a ainsi été développée, notamment en se basant sur les données thermodynamiques des systèmes et métabolites cibles. Ce criblage "sigma" combinant profil, potentiel et surface sigma permet une sélection a priori des composants susceptibles de former un mélange eutectiques, tout en adaptant leur sélectivité aux métabolites cibles. Cette approche permet aussi de simuler un point eutectique potentiel permettant de réduire considérablement la consommation des ressource de l'étape de design et criblage. Cette approche in silico vient alimenter la Smart selection strategy développée au laboratoire fixant un cahier des charges matières pour la conception de solvants eutectiques directement utilisables comme ingrédients cosmétiques. L'introduction de ces solvants eutectiques et d'extraits en milieu eutectiques en forme gels ont montré des impact positif sur les comportements (booster de viscosité) et sensoriel des produits fini.

Les procédés développés au cours de ce procédés sont en cours d'étude pour transfert chez le partenaire industriel es biomasses et co-produits.

Un procédé innovant a fait l'objet d'une enveloppe Soleau et est en cours de procédure de maturation en vue de la création d'une start up.

Le procédé Solide/liquide/liquide est en cours de déploiement vers d'autres biomasses et domaines d'applications.

La Smart selection strategy est en cours de déploiement cette fois dans le domaine de la santé sur des applications en infectiologie, qui a donné lieu au dépôt d'un projet dans le PEPR biothérapie et à l'obtention d'une bourse de thèse dans le cadre du PIA Loire Val Health.

Publication à comité de Lecture
1. L. Wils, S. Hilali and L. Boudesocque-Delaye, Biomass valorization using Natural Deep Eutectic Solvents: what’s new in France? Molecules, 2021, 26, 6556. doi.org/10.3390/molecules26216556
2. S. Hilali, L. Wils, A. Chevalley, B. Clément-Larosière, L. Boudesocque-Delaye, Glycerol-based NaDES as green solvents for ultrasound-assisted extraction of phycocyanin from Arthrospira platensis-RSM optimization and ANN modeling, Biomass Conversion and Biorefinery, 2022, doi.org/10.1007/s13399-021-02263-6
3. S. Elderderi, L. Wils, C. Leman-Loubière, H.J. Byrne, I. Chourpa, C. Enguehard-Gueiffier, E. Munnier, AA Elbashir, L. Boudesocque-Delaye, F. Bonnier. In Situ Water Quantification in Natural Deep Eutectic Solvents Using Portable Raman Spectroscopy. Molecules 2021, 26, 5488. doi.org/10.3390/molecules26185488
4. S. Elderderi, L. Wils, C. Leman-Loubière, S.Henry, H. J. Byrne, I. Chourpa, E. Munnier, A. A. Elbashir, L. Boudesocque-Delaye, F. Bonnier Comparison of Raman and ATR-IR for water quantification in NaDES Analytical Bioanalytical Chemistry, 2021, 413(19), 4785–4799 doi.org/10.1007/s00216-021-03432-2
5. L. Wils, C. Leman-Loubière, N. Bellin, B. Clément-Larosière, M. Pinault, S. Chevalier, C. Enguehard-Gueiffier, C. Bodet, Leslie Boudesocque-Delaye Natural Deep Eutectic Solvent formulations for spirulina: preparation, intensification, and skin impact. Algal Research Special Issue on Advanced Technologies 2021, 56, 102317, doi.org/10.1016/j.algal.2021.102317

Communications orales
1. L Boudesocque-Delaye, Natural deep eutectic solvents for microalgae biorefinery: Spirulina as a case study, Vitrual Meeting of AFERP, July 2021
2. L. Wils, S. Hilali, S. Elderli, M. Yagmur, C. Leman-Loubière, B. Clément-Larosière, F. Bonnier, L. Boudesocque-Delaye Natural deep eutectic solvents for microalgae biorefinery: Spirulina as case of study, 2nd International Meeting on Deep Eutectic System, Lisbon (Portugal), 15-17 juin 2021
3. S. Elderderi, C. Leman-Loubière, L. Wils, S. Henry, D. Bertrand, H. J. Byrne, I. Chourpa, C. Enguehard-Gueiffier, E. Munnier, A. A. Elbashir, L. Boudesocque-Delaye, F. Bonnier, ATR-IR spectroscopy for rapid quantification of water content in deep eutectic solvents 2nd International Meeting on Deep Eutectic System, Lisbon (Portugal), 15-17 juin 2021
4. I. M. Ardeza, L. Boudesocque-Delaye, L. Wils, A. Despres, F. Bonnier, X Perse, C. Bodet, I. Chourpa, E Munnier Natural deep eutectic solvents: the future of natural cosmetic formulation? 2nd International Meeting on Deep Eutectic System, Lisbon (Portugal), 15-17 juin 2021
5. L. Wils, S. Hilali, M.Yagmur, B. Clément-Larosière, L. Boudesocque-Delaye, NaDES for microalgae biorefinery: biomass pre-treatment and comparison with bio-sourced solvents, 2nd International Meeting on Deep Eutectic System, Lisbon (Portugal), 15-17 juin 2021

Conférence grand publique
L. Boudesocque-Delaye, F. Bonnier, E. Munnier, Les cosmétiques passent au vert, Conférence grand public Fête de la Science 2021, 6 oct 2021 www.fetedelascience.fr/les-cosmetiques-passent-au-vert

Les microalgues focalisent l’intérêt de l’industrie cosmétique, comme sources renouvelables de biomolécules. Les solvants eutectiques profonds naturels (NaDES) représentent une réelle opportunité pour l’éco-valorisation de ces biomasses. Les NaDES, nouveaux liquides ioniques verts, présentent un caractère renouvelable et biodégradable, étant préparés en mélangeant des constituants cellulaires végétaux. Les NaDES sont également biocompatibles, permettant de s’affranchir de l’étape d’élimination du solvant. De nombreuses références décrivent les NaDES comme solvants pour l'extraction de plantes, visant les polyphénols et les flavonoïdes, mais peu de références traitent de l'extraction de microalgues. Ce projet propose une approche de bioraffinerie utilisant les NaDES pour produire plusieurs ingrédients cosmétiques à partir de biomasses microalgales. Des NaDES dédiés seront conçus, caractérisés et appliqués à plusieurs microalgues afin de proposer un schéma de valorisation durable.