Matières plastiques biosourcées issues de la culture d'Euglena gracilis. – EG4BIOPLAST

Le programme de recherche est organisé en 4 lots, chacun étant porté par une équipe :

- Le lot 1 est dédié à la culture d’Euglena gracilis et au fractionnement de la biomasse : il se déroule au GEPEA et est porté par l’équipe BAM « Bioprocédés Appliqués aux Microalgues », où se trouve la doctorante recrutée pour le projet: Visakha WU étudie la culture d’Euglena gracilis à la fois en conditions autotrophes (en utilisant uniquement du dioxyde de carbone comme source de carbone inorganique) et mixotrophes (en ajoutant du carbone organique comme seconde source) : d’abord à l’échelle du laboratoire sur des photobioréacteurs de 1 litre, puis à l’échelle pilote en utilisant les installations de la plateforme ALGOSOLIS permettant la production de lots de biomasse riches en paramylon. Parallèlement, un procédé d’extraction et de purification est développé à l’échelle du laboratoire puis appliqué aux lots à l’échelle pilote pour récupérer les lots de paramylon et de coproduits nécessaires aux lots 3 et 4.

- Le lot 2 est dédié au design et à la sélection des liquides ioniques (LI) : Il est porté par l'ICMR, où une jeune docteure, Katia Bacha, a été recrutée pour la synthèse chimique des différentes séries de LI biocompatibles. Ceux-ci sont d'abord produits en petites quantités afin de tester leur capacité à solubiliser et plastifier le paramylon. Ensuite, les systèmes sélectionnés sont produits en quantités plus importantes pour leur utilisation dans le lot 3.

- Le lot 3 est dédié à la mise en œuvre et à la caractérisation du paramylon thermoplastique : Il est porté par BIA où se trouve le postdoc recruté pour le projet, Flavien Mouillard. En interaction avec les lots 1 et 2, le paramylon et les LI sont caractérisés et utilisés pour formuler les matériaux pour les tests d'extrusion et de thermocompression. La structure et les propriétés des matériaux obtenus sont caractérisées avec l'objectif de dégager des relations procédé/structure/propriétés, notamment pour leur comportement mécanique et leur bioactivité.

- Le lot 4 est dédié à la valorisation des coproduits et à l’analyse du cycle de vie : il est porté par l’équipe MAPS2 (Matrice, Aliments, Procédés, Propriétés, Structure et Sensoriel) du GEPEA, où sera localisé un postdoctorant. Une première approche consistera à étudier la valorisation possible des coproduits du procédé d’extraction du paramylon, tandis qu’une seconde approche concernera l’analyse du cycle de vie des matériaux thermoplastiques à base de paramylon produits dans le lot 3, en prenant en compte les étapes précédentes de production et de fractionnement de biomasse d’euglène dans le lot 1 et de synthèse de liquides ioniques dans le lot 2.

La durée du projet est de 48 mois.

Jusqu'à présent, après 24 mois, l'événement le plus marquant a été la publication d'un article sur la preuve de concept du Lot 3, intitulé « Melt processing of paramylon using a water:ionic liquid mixture as plasticizer ». En voici le résumé : Le paramylon est un bêta-1,3-glucane linéaire produit par la microalgue Euglena Gracilis. En raison de sa structure cristalline native, impliquant des triples hélices empilées de manière hexagonale, le paramylon n'est ni soluble dans l'eau ni thermoplastique. Français Bien que de telles propriétés soient généralement obtenues par modification chimique du paramylon, le présent travail démontre que l'utilisation de mélanges liquide ionique/eau comme solvants ou plastifiants peut être une alternative : Un mélange d'eau avec du glycinate de cholinium (40:60) a permis : i) l'obtention de solutions de paramylon à 80°C, qui forment des ionogels réversibles lors du refroidissement à 20°C, lorsqu'il est utilisé comme solvant, et ii) la transformation thermomécanique du paramylon en dessous de 100°C par extrusion et pressage à chaud en films transparents, lorsqu'il est utilisé comme plastifiant. Le paramylon thermoplastique obtenu est constitué d'une matrice amorphe, auto-renforcée par des triples hélices orientées emballées sous forme de nanofibres. Il en résulte un module de conservation allant de 300 à 450 MPa à 25°C, selon la teneur en plastifiant, et une déformation à la rupture en traction de 27%. Pour des durées de stockage supérieures à 1 mois, on observe une recristallisation du paramylon, avec une structure cristalline non identifiée différente de la structure native. Les échantillons recristallisés peuvent être retraités en films amorphes par pressage à chaud.

Par ailleurs les lots 1 et 2 ont conduit aux résultats suivants :

- Lot 1 : La culture d'Euglena en conditions autotrophes a été étudiée et optimisée avec succès à l'échelle du laboratoire avant d'être transposée à l'échelle pilote, permettant l'extraction des lots de paramylon nécessaires au lot 3.

- Lot 2 : Une série de liquides ioniques a été synthétisée et caractérisée, conduisant à la sélection de quatre systèmes capables de solubiliser et de plastifier le paramylon.

Parallèlement à la poursuite des travaux des lots 1,2 et 3, et de leur valorisation des résultats déjà obtenus, le lot 4 doit démarrer en 2025.

Les microalgues deviendront peut-être une biomasse clé pour la production de plastiques biosourcés, cultivables sur des terres non arables avec des productivités surfaciques élevées. Le projet EG4BIOPLAST est focalisé sur Euglena gracilis, une souche particulièrement robuste et versatile, qui produit jusqu’à 80% en masse sèche de paramylon, un B(1,3)glucane linéaire. Ce polysaccharide de réserve absent des plantes terrestres est accumulé sous la forme de granules intracellulaires fortement cristallines pour différentes conditions de culture : photosynthétique (source de carbone minérale, telle que CO2, avec lumière), hétérotrophe (source de carbone organique, telle que des eaux usées, sans lumière) ou mixotrophe.
Le consortium interdisciplinaire rassemble des équipes spécialistes des bioprocédés appliqués au microalgues, de la mise en œuvre des matériaux biosourcés et de leur caractérisation, et du design de liquides ioniques. En effet, ces derniers seront utilisés comme plastifiants du paramylon, permettant l’obtention de formulations thermoplastiques sans modification chimique du biopolymère, ce qui est jusqu’à maintenant la seule voie étudiée pour obtenir des plastiques à base de paramylon.
Le programme de recherche commencera par l’étude du métabolisme spécifique d’euglena afin de développer un protocole de culture optimisé en conditions solaires. Parallèlement, des liquides ioniques biosourcés capables de déstructurer le paramylon en présence d’eau seront synthétisés et criblés selon leur capacité de plastification. La mise en œuvre de paramylon thermoplastique par extrusion et thermocompression sera ensuite étudiée afin d’optimiser la structure et les propriétés du matériau final. Les impacts environnementaux de cette stratégie globale de la culture à la mise en œuvre du paramylon seront évalués par analyse du cycle de vie, puis comparés aux stratégies existantes de culture et de thermoplastification du paramylon par modification chimique (estérification).