Procédé millifluidique innovant pour l'intensification de l'extraction réactive liquide-liquide d'un acide organique biosourcé – IMPRINTS

L’augmentation des désastres environnementaux pousse la communauté scientifique à chercher rapidement des alternatives environnementalement et économiquement viables aux voies de production pétrosourcées conventionnelles. Dans ce contexte, la transition vers une production biosourcée des molécules plateformes est d’un intérêt particulier. Ces molécules entrent en effet en jeu dans la production d’une très grande quantité de produits de la vie courante. Cette transition se heurte cependant actuellement à de nombreux verrous techniques et scientifiques. L’acide 3-hydroxypropionique, isomère de position de l’acide lactique, fait partie de ces molécules d’intérêt. L’acide 3-hydroxyproipionique permet en effet la synthèse de nombreux produits essentiels, comme l’acide acrylique. Des efforts de recherche doivent donc être faits pour permettre la bioproduction de cet acide.

La production biosourcée d’acides organiques nécessite souvent de coupler un procédé d’extraction au procédé de bioproduction. Ce couplage se nomme ISPR (In-Stream ou In-Situ Product Recovery), et permet de limiter l’accumulation d’acide dans le milieu de bioconversion. Cela permet ainsi d’éviter une inhibition de la production par le produit lui-même. Quelques études ont démontré le potentiel de production de l’acide 3-hydroxypropionique par voie biosourcée. Cependant, sa bioproduction ISPR avec des dispositifs d’extraction conventionnels (extraction liquide-liquide réactive en contacteur membranaire) rencontre des limitations liées aux vitesses d’extraction dans le procédé de séparation faibles au regard des vitesses de production dans le fermenteur. Cette barrière physique limite les rendements obtenus, et donc les possibilités de scale-up de ce bioprocédé.

L’objectif d’IMPRINTS est d’utiliser la fluidique à échelle réduite (milli et microfluidique) pour adresser deux limitations actuellement rencontrées dans la bioproduction d’acide organique, par l’étude de l’acide 3-hydroxypropionique. La première est le manque de connaissances fondamentales lié au transfert de matière lors de l’extraction réactive liquide-liquide de l’acide d’intérêt d’un moût de fermentation. Par nature, le moût de fermentation est en effet un milieu multiconstituants, pouvant avoir un impact sur le transfert de matière. La microfluidique sera ici utilisée comme un outil rapide et fiable d’acquisition de données pour élucider et quantifier les mécanismes de transfert de matière avec réaction en milieu multiconstituants. L’utilisation de la microfluidique permet notamment un contrôle parfait de l’hydrodynamique et de l’aire interfaciale d’échange entre la solution aqueuse et la solution organique extractante. Ces résultats seront essentiels pour développer un modèle dynamique du procédé intégré prenant en compte l’impact de la composition du moût de fermentation.

Le second problème est lié aux performances d’extraction insuffisantes du procédé de séparation lors du couplage. Un dispositif triphasique millifluidique, combinant extraction continue d’acide et récupération, sera développé pour pallier ce problème. Le principe d’extraction repose sur l’exploitation de l’écoulement multiphasique de Taylor entre gouttelettes de phase aqueuse dispersées dans la phase organique réactive (aussi appelée membrane liquide). Cet écoulement est connu pour grandement intensifier le transfert de matière par la génération de vortex de recirculation intra et inter-gouttelettes associés à un fort ratio surface/volume. Le développement de ce procédé se fera en parallèle d’une analyse dimensionnelle rigoureuse, offrant tous les outils pour le changement d’échelle. Ce procédé d’extraction intensifié sera finalement couplé à un bioréacteur afin de valider son efficacité en conditions réelles de production. Un modèle mécanistique dynamique de bioconversion-extraction sera ainsi développé, permettant le contrôle, l’optimisation et le scale-up du procédé couplé bioconversion-extraction.