Face aux inquiétudes croissantes concernant l’épuisement des combustibles fossiles et les impacts environnementaux de la production pétrochimique, les scientifiques explorent activement des stratégies renouvelables pour produire des produits chimiques industriels essentiels.
Une équipe de recherche collaborative, dirigée par le professeur distingué Sang Yup Lee, vice-président principal de la recherche du département de génie chimique et biomoléculaire, et le professeur Sunkyu Han du département de chimie de l'Institut avancé des sciences et technologies de Corée (KAIST), a développé une plateforme chimobiologique intégrée qui convertit les sources de carbone renouvelables telles que le glucose et le glycérol en précurseurs oxygénés, qui sont ensuite désoxygéné dans le même système de solvants pour produire du benzène, du toluène, de l'éthylbenzène et du p-xylène (BTEX), qui sont des hydrocarbures aromatiques fondamentaux utilisés dans les carburants, les polymères et les produits de consommation.
Les résultats sont publiés dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences.
Des sucres aux hydrocarbures aromatiques du pétrole
Les chercheurs ont conçu quatre souches d'Escherichia coli génétiquement modifiées, chacune programmée pour produire un précurseur oxygéné spécifique : phénol, alcool benzylique, 2-phényléthanol ou 2,5-xylénol. Ces intermédiaires sont générés par des modifications génétiques adaptées, telles que la suppression d'enzymes régulées par rétroaction, la surexpression de gènes spécifiques à une voie et l'introduction d'enzymes hétérologues pour accroître les capacités métaboliques.
Pendant la fermentation, les produits ont été extraits en continu dans le solvant organique myristate d'isopropyle (IPM). Agissant comme un solvant à double fonction, l’IPM a non seulement atténué les effets toxiques des composés aromatiques sur la croissance cellulaire, mais a également servi directement de milieu réactionnel pour la valorisation chimique en aval.
En éliminant le besoin de purification intermédiaire, d'échange de solvant ou de distillation, ce système intégré aux solvants a rationalisé la conversion des matières premières renouvelables en aromatiques de valeur.
Surmonter les barrières chimiques dans un solvant non conventionnel
Une innovation centrale de ces travaux réside dans l’adaptation des réactions chimiques de désoxygénation pour fonctionner efficacement au sein de l’IPM, un solvant rarement utilisé en synthèse organique. Les catalyseurs et réactifs traditionnels se sont souvent révélés inefficaces dans ces conditions en raison de limitations de solubilité ou d’incompatibilité avec des impuretés d’origine biologique.
Grâce à une optimisation systématique, l’équipe a établi des stratégies catalytiques douces et sélectives compatibles avec l’IPM. Par exemple, le phénol a été désoxygéné avec succès en benzène avec un rendement allant jusqu'à 85 % à l'aide d'un système catalytique à base de palladium, tandis que l'alcool benzylique a été efficacement converti en toluène après un prétraitement au charbon actif de l'extrait IPM.
Des transformations plus difficiles, telles que la conversion du 2-phényléthanol en éthylbenzène, ont été réalisées grâce à une séquence de mésylation-réduction adaptée à la phase IPM.
De même, le 2,5-xylénol dérivé du glycérol a été converti en p-xylène avec un rendement de 62 % via une réaction en deux étapes, complétant ainsi la synthèse renouvelable du spectre complet des BTEX.
Un cadre durable et modulaire
Au-delà de la production de BTEX, l’étude établit un cadre généralisable pour intégrer la biosynthèse microbienne aux transformations chimiques dans un environnement solvant continu.
Cette approche modulaire réduit la demande d'énergie, minimise les déchets de solvants et permet l'intensification des processus, facteurs clés pour augmenter la production chimique renouvelable.
Le point d'ébullition élevé de l'IPM (>300 °C) simplifie la récupération du produit, car les composés BTEX peuvent être isolés par distillation fractionnée tandis que le solvant est facilement recyclé. Une telle conception est conforme aux principes de la chimie verte et de l’économie circulaire, offrant une alternative pratique aux procédés pétrochimiques fossiles.
Vers un avenir neutre en carbone
Le Dr Xuan Zou, le premier auteur de l'article, explique : « En couplant la sélectivité du métabolisme microbien avec l'efficacité de la catalyse chimique, cette plateforme établit une voie renouvelable vers certains des éléments constitutifs les plus largement utilisés dans l'industrie chimique. Les efforts futurs se concentreront sur l'optimisation des flux métaboliques, l'extension de la plateforme à des cibles aromatiques supplémentaires et l'adoption de systèmes catalytiques plus écologiques.
En outre, le professeur distingué Sang Yup Lee note : « Alors que la demande mondiale de BTEX et de produits chimiques associés continue de croître, cette innovation fournit une base scientifique et industrielle pour réduire la dépendance aux processus à base de pétrole. Elle marque une étape importante vers la réduction de l'empreinte carbone des secteurs des carburants et des produits chimiques tout en garantissant un approvisionnement durable en hydrocarbures aromatiques essentiels.
