CE43 - Bioéconomie : chimie, biotechnologie, procédés et approches système, de la biomasse aux usages

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

Solvants eutectiques profonds Naturels (NaDES) pour la bioraffinerie de microalgues pour des applications cosmétiques (DERMIC)

Le projet DERMIC se propose d'étudier le potentiel de nouveaux solvants issus de ressources renouvelables, les solvants eutectiques profonds, pour le développement de schéma de bioraffinerie de microalgues. La finalité étant valorisation des métabolites polaires et apolaires de biomasse, en proposant en un nombre réduit d'étapes, un maximum d'ingrédient prêt à l'emploi pour les industries cosmétiques.

Dévelopement de proécés extractifs innovants intégrant les NaDES

Le projet DERMIC s’articule autour de 6 objectifs principaux :<br />1. le développement d’une librairie de NaDES cosmétique-compatible, dédiés à la valorisation de biomasses, notamment microalguales.<br />2. Proposer des opérations unitaires, notamment d’extraction S/L, optimisées pour la valorisation des phycobilliprotéines, des acides gras, et des pigments apolaires.<br />3. Développer des procédés innovants pour rendre l’utilisation des NaDES plus reproductible et plus accessible, notamment pour des applications industrielles.<br />4. Proposer des schémas de bioraffineries intégrant les NaDES pour les 3 espèces de microalgues traitées.<br />5. Apporter des connaissances sur les interactions régissant la sélectivité et la capacité extractive des NaDES, au travers d’une approche in silico utilisant l’outil COSMO-RS<br />6. Apporter des données préliminaires sur la formulabilité des NaDES et extraits

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.
L'approche procédé est réalisée en criblant des procédés classique d'éco-extraction (ultrasons, CPC) à l'aide d'outils de prédictions comme l'approche RSM couplée à l'analyse par ANN.
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.

Une librairie de NaDES apolaire ou de polarité intermédiaire a été élaborée selon une approche empirique, conduisant à environ 150 NaDES de composition. 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 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 screening exploratoire a permis d’identifier les NaDES à base de glycérol comme les plus pertinents. Une optimisation d’extraction par ultrasons utilisant les approche de DoE et ANN.

La préparation des NaDES telle que pratiquée classiquement est une étape fastidieuse et opérateur dépendant, diminuant de fait l’intérêt de l’utilisation de cette technologie. Afin de simplifier et d’automatiser cette étape, nous avons développé une méthodologie permettant une préparation rapide (moins de 30 min), automatisée et sans chauffage des systèmes.

Des essais préliminaires d’extraction S/L séquentielles ont été réalisés, et ont rapidement mis en évidence l’impact critique de l’ordre des opérations. Des essais sont planifiés pour explorer les séquences les plus pertinentes et leur optimisation via des approches de type DoE et ANN.

Les NaDES de la libraire font actuellement l’objet d’une étude in silico utilisant l’approche COSMO-RS, pour établir leur diagramme de phase et élucider le point eutectique précis. Une approche de sélection a priori est en court d’élaboration, notamment en se basant sur les données thermodynamiques des systèmes et métabolites cibles.

Une des trois souche est en cours d'optimisation, au niveau de pré-traitement et devra être finalisée.

Le volet innovation procédé est en plein essor avec un procédé innovant en cours de valorisation.

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.

Coordination du projet

Leslie Boudesocque (EA 7502 Synthèse et Isolement de Molécules BioActives)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

SIMBA EA 7502 Synthèse et Isolement de Molécules BioActives

Aide de l'ANR 251 100 euros
Début et durée du projet scientifique : février 2020 - 36 Mois

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