Solubilisation enzymatique de lignine à pH neutre et utilisations – LIGNIN

Ce projet se divise en trois parties :

WP1. Production de l’enzyme

L’enzyme sur laquelle nous travaillons est appelée bilirubine oxydase. Elle contient plusieurs atomes de cuivre. Cette enzyme est difficile à produire en grande quantité, car le cuivre dans les cellules est très régulé, et les conditions pour faire fonctionner cette production sont compliquées. Dans un premier temps, nous avons essayé d’optimiser les conditions de production de cette enzyme. Nous avons testé différents paramètres comme la température, l’acidité, la quantité de cuivre, la présence d’oxygène, ou encore la quantité de sucre (lactose) ajoutée. Pour mieux comprendre comment tous ces éléments interagissent, nous avons utilisé un logiciel spécialisé connecté à notre appareil de production (un bioréacteur) pour faire des tests organisés et systématiques.

WP2. Étude de l’efficacité de l’enzyme

La deuxième partie du projet vise à comprendre comment l’enzyme agit sur des molécules proches de la lignine, un composant naturel du bois.

Nous avons travaillé en trois étapes :

1. Modèles simples de lignine : Nous avons utilisé des molécules très simples qui ressemblent à des petits morceaux de lignine. Cela nous a permis d’observer comment l’enzyme réagit selon les endroits de la molécule où elle peut agir.

2. Modèles plus complexes : Ensuite, nous avons fabriqué des molécules un peu plus complexes, imitant mieux la structure naturelle de la lignine. On les a testées avec l’enzyme dans différentes solutions pour voir comment elle les transforme.

3. Étude de la vraie lignine industrielle : Enfin, nous avons utilisé une lignine industrielle, qu’on retrouve par exemple dans les déchets de l’industrie papetière. On a regardé comment la rendre soluble, comment l’enzyme réagit avec elle, et comment faire varier les conditions (température, oxygène, etc.) pour améliorer les résultats.

WP3. Fabrication de fibres à partir de lignine

Nous cherchons à transformer la lignine en fibres, un peu comme on ferait des fils utilisés pour des textiles. Pour cela, on utilise une technique appelée filage par voie humide. On prépare une solution de lignine qu’on injecte dans un bain de coagulation qui transforme la lignine sous forme de fil, qui est ensuite tiré, lavé, séché, et enroulé. Comme la lignine seule donne des fils trop fragiles, on ajoute un plastifiant naturel, appelé alginate de sodium (c’est une substance qu’on retrouve dans les algues). On a testé différentes proportions de lignine et d’alginate.

Après avoir fabriqué les fibres, on les chauffe à très haute température (1000°C) dans un environnement sans oxygène pour les transformer en fibres de carbone. Enfin, on a analysé la structure et la solidité des fibres obtenues. On les a observées au microscope, et on a mesuré leur résistance à la rupture et leur élasticité avec des tests mécaniques.

WP1

Au début du projet, nous produisions 12,5 milligrammes de notre enzyme (BOD) par litre de culture. Nous avons réussi à atteindre 30 mg/L, tout en gardant une enzyme très active.

WP2

• Avec de petites molécules simples (des phénols), l’enzyme peut provoquer plusieurs transformations : elle peut les assembler en paires, en chaînes, ou simplement les oxyder (c’est-à-dire les modifier en leur retirant des électrons). On a aussi vu que le bore, présent dans certains tampons utilisés pour les tests, pouvait modifier la forme des molécules.

• Avec des polymères plus gros, qui imitent mieux la structure de la lignine naturelle, on pense que l’enzyme modifie une partie spécifique de la molécule. Mais comme ces polymères ne se dissolvent pas bien dans les tampons compatibles avec l’enzyme, nous n’avons pas encore pu identifier le mécanisme exact.

• Avec de la vraie lignine industrielle (Indulin AT), le traitement par l’enzyme a provoqué une augmentation de la taille des molécules. Des analyses ont permis d’optimiser les conditions de traitement, et même si certaines techniques (comme la RMN 2D) n’ont pas tout révélé, on pense que l’enzyme crée des liaisons spécifiques entre les morceaux de lignine.

WP3

Le meilleur ratio entre lignine et alginate a été défini comme étant : 67 % de lignine + 33 % d’alginate

Ces fibres ont ensuite été chauffées à 1000°C pour les transformer en fibres de carbone.

Résultat : les fibres obtenues ont une rigidité (module d’Young) est de 40 GPa et une résistance à la rupture d’environ 450 MPa. Ces valeurs sont comparables à celles obtenues par d’autres méthodes, mais encore trop faibles pour les usages exigeants comme l’aéronautique ou l’automobile.

1. Améliorer l’utilisation du cuivre et les conditions de réaction

L’enzyme que nous utilisons (la bilirubine oxydase, ou BOD) a besoin de cuivre pour fonctionner. Mais dans les cellules, le cuivre est très contrôlé : il ne rentre pas et ne sort pas librement. C’est ce qu’on appelle l’homéostasie du cuivre. Comprendre et ajuster cette régulation est un défi scientifique majeur, car cela peut aider à produire plus d’enzyme, plus efficace.

2. Tester d'autres tampons pour l'enzyme

3. Utiliser des solvants innovants tels que les liquides ioniques, des solvants spéciaux qui pourraient mieux dissoudre la lignine, tout en étant compatibles avec certaines enzymes. Des études récentes montrent que d'autres enzymes similaires y survivent bien, ce qui laisse penser que c’est une piste prometteuse pour la BOD.

4. Mieux comprendre les réactions de l’enzyme en créant de meilleurs modèles de lignine. Pour mieux comprendre comment l’enzyme agit, il faudrait fabriquer des modèles de polymères qui imitent différentes liaisons typiques de la lignine :

β-O-4, β-5, β–β’, 5–5’. Cela permettrait de mieux analyser les mécanismes en jeu et de comparer les résultats avec d’autres enzymes utilisées dans des milieux acides.

5. Valoriser les produits à base de lignine transformée. En plus de fabriquer des fibres de carbone, on peut imaginer d'autres usages pour la lignine modifiée :

• Créer des émulsions ou encapsuler des substances actives (par exemple pour des produits cosmétiques ou pharmaceutiques) grâce à ses propriétés stabilisantes ;

• Fabriquer des colles naturelles, en combinant la lignine avec des résines industrielles ;

• Utiliser la lignine comme filtre, pour nettoyer l’eau contaminée (par des métaux lourds ou des polluants organiques), en exploitant sa structure poreuse.

6. Vers un nouveau procédé de fabrication de fibres : le filage à sec. Dans cette méthode, on fait évaporer un solvant (plutôt que de plonger la fibre dans un bain de coagulation), évitant ainsi la présence de résidu de calcium. Nos premiers tests montrent que des solutions de lignine mélangée à du PVA (alcool polyvinylique) ont les bonnes propriétés pour ce type de procédé. Nous allons continuer à développer cette méthode dans le cadre de nouveaux projets financés.

7.Améliorer les fibres de carbone en les chauffant sous tension. Les fibres de carbone obtenues aujourd’hui sont encore un peu fragiles, car leur structure n’est pas bien "organisée" au niveau du carbone. On sait que chauffer les fibres tout en les étirant (mise sous tension) améliore beaucoup cette organisation. C’est ce qu’on veut faire à l’avenir, grâce à un nouveau four qui pourra monter à 1600°C tout en étirant les fibres.