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RÉSUMÉ
La biocatalyse solide/gaz est une technologie qui met en œuvre des enzymes ou des cellules sur des substrats gazeux. Cette technologie présente deux points forts : s'affranchir des effets induits par le solvant, et la possibilité de contrôler précisément l’ensemble des paramètres thermodynamiques influant sur la cinétique des réactions et la stabilité du catalyseur. La biocatalyse solide/gaz permet ainsi d’étudier l'impact de chacune des espèces présentes dans le biocatalyseur sur son activité, sa spécificité ou sa stabilité. De plus, la biocatalyse solide/gaz est un procédé économe en atomes et en énergie, respectueux de l’environnement, et qui atteint des rendements de production très élevés rapportée à la taille de l’installation. L’agroalimentaire a connu les premières applications de la catalyse solide/gaz, les secteurs de la pharmacie et de l’environnement pourraient être prochainement concernés.
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Solid/gas biocatalysis is a technology that utilizes enzymes or cells on gaseous substrates. This technology presents two major advantages; it allows for avoiding effects induced by the solvent and the precise control of every thermodynamic parameters which impact the kinetics of reactions and the catalyst stability. Solid/gas biocatalysis thus allows for studying the impact of each species present within the biocatalyst on its activity, specificity or stability. Furthermore, solid/gas biocatalysis is a low atom and energy consumption process, environmentally friendly and with extremely high yields in comparison to the size of the installation. Applications of the solid/gas catalysis have been firstly implemented in the agrifood industry and could concern the pharmaceutical and environmental sectors in the near future.
Auteur(s)
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Isabelle GOUBET : Maître de conférences à l'université de La Rochelle
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Thierry MAUGARD : Professeur à l'université de La Rochelle
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Sylvain LAMARE : Professeur à l'université de La Rochelle
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Marianne GRABER : Professeur à l'université de La Rochelle
INTRODUCTION
La biocatalyse solide/gaz est une technologie basée sur l'utilisation de biocatalyseurs solides pour la conversion de substrats gazeux, en l'absence de tout solvant. Les biocatalyseurs solides sont des enzymes purifiées lyophilisées ou des enzymes présentes dans des cellules déshydratées. Les bioréacteurs sont utilisés en mode continu et permettent de contrôler précisément l'ensemble des paramètres thermodynamiques influant sur la cinétique des réactions et la stabilité des biocatalyseurs (température, pression et composition du flux gazeux).
D'un point de vue fondamental, l'absence de solvant et le contrôle indépendant de chacune des activités thermodynamiques des substrats (paramètre reflétant leur disponibilité pour le biocatalyseur) constituent les points forts de cette technologie. En effet, il est ainsi possible de s'affranchir des effets induits par le solvant, espèce majoritaire en milieu liquide, et d'accéder aux paramètres intrinsèques d'une enzyme. De plus, la possibilité de moduler indépendamment les activités thermodynamiques de chacun des substrats permet d'étudier l'impact de chacune des espèces présentes dans le microenvironnement du biocatalyseur sur son activité, sa spécificité ou sa stabilité.
D'un point de vue technologique, la biocatalyse solide/gaz permet des rendements de production très élevés pour une taille réduite d'installation. L'absence de solvant simplifie les étapes de purification et rend aisée la récupération des produits. Les températures de catalyse, bien qu'élevées pour des conversions enzymatiques, restent modestes comparées à celles bien souvent utilisées pour la catalyse chimique. L'ensemble de ces caractéristiques fait de la biocatalyse solide/gaz un procédé économe en atomes et énergie, respectueux de l'environnement. Néanmoins, le champ d'application de cette technologie est limité en comparaison de celui des systèmes réactionnels liquides non conventionnels, car il est basé sur le caractère volatil des substrats et des produits de la réaction.
Les applications de la catalyse solide/gaz pourraient, à l'avenir, concerner les secteurs de l'environnement ou de la pharmacie et plus spécialement la production de synthons chiraux.
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Exemples d'application de la biocatalyse solide/gaz
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2. Catalyse solide/gaz : un outil au service de la compréhension du fonctionnement des biocatalyseurs
2.1 Caractérisation cinétique et thermodynamique de la réaction : déterminer les paramètres intrinsèques des enzymes
Les réactions enzymatiques en milieu liquide impliquent des systèmes à trois composants : le solvant, l'enzyme et le substrat. Ces trois composants interagissent entre eux et ce sont ces relations d'interdépendance qui rendent la catalyse plus ou moins efficace, par des mécanismes complexes et difficiles à identifier. Dans la technologie solide/gaz, le solvant de la réaction est remplacé par un gaz vecteur inerte sur la catalyse ; le microenvironnement de l'enzyme se trouve donc simplifié en un système composé uniquement des molécules de substrat et de produit à l'état gazeux. Il est ainsi possible de mesurer l'activité enzymatique en l'absence d'espèce chimique en quantité largement prédominante, comme c'est le cas dans les systèmes liquides, dans lesquels le solvant représente la fraction molaire la plus importante du milieu. La présence de ces grandes quantités de molécules de solvant rend l'interprétation des données cinétiques et thermodynamiques quelque peu hasardeuse. En effet, il est maintenant clairement établi que les molécules de solvant sont susceptibles d'interagir de façon directe avec le site actif des enzymes . Il en résulte, dans certains cas, un effet très significatif du solvant sur la spécificité des enzymes ...
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BIBLIOGRAPHIE
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