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Article : De la fermentation naturelle à l’industrialisation d’un procédé biomimétique innovant

7 juillet 2022

Publication

Aujourd’hui, plus de la moitié des entreprises déclarent s’engager en faveur du développement durable, mais il est clair que concilier performance environnementale et économique implique de nombreux choix difficiles. Seules 21 % des entreprises disposent d’une feuille de route claire pour mettre en oeuvre leur stratégie de développement durable. Chez AFYREN, nous pensons que le partage des connaissances et des expériences peut contribuer à bâtir un avenir plus durable. Dans nos articles de blog, nous cherchons à partager l’expertise que nous avons développée sur notre propre parcours vers un modèle d’entreprise durable et circulaire.

En 2021, nous avons eu besoin de l’équivalent de 1,7 planète pour satisfaire nos besoins de production et de consommation, nous enjoignant à une plus grande attention dans l’utilisation de nos ressources.

Cette statistique, calculée chaque année par l’ONG The Global Footprint Network, est l’un des nombreux avertissements environnementaux qui poussent les entreprises et les citoyens ordinaires à être plus prudents dans l’utilisation de nos ressources.

Parallèlement, l’attrait des produits dits naturels a aujourd’hui dépassé celui de biens conventionnels. Ces deux tendances, issues de la montée des préoccupations environnementales, illustrent bien le dilemme dans lequel se trouvent les industriels. Ils sont pris en étau entre une demande insatiable pour des produits naturels respectueux de l’environnement, la nécessité de trouver des solutions pour réduire le recours aux ressources fossiles et le travers de favoriser des cultures agroforestières qui entrent en compétition avec les chaînes alimentaires.

Nombreux sont ceux qui ont compris qu’une solution qui se base sur une circularité élevée pourrait résoudre à la fois leur dépendance au pétrole et diminuer leur impact sur l’environnement. C’est pour cette raison que les biotechnologies sont de plus en plus attractives et visibles dans le paysage industriel.

Dans cette perspective, les technologies fermentaires mettent en œuvre des organismes vivants comme vecteurs pour obtenir des molécules utilisées sur de multiples marchés tels que l’industrie chimique, les cosmétiques, l’alimentation humaine et animale ou encore l’industrie pharmaceutique. Les débouchés sont très larges et les biotechnologies sont identifiées comme des solutions de rupture pour relever les défis d’une production qui allie respect de l’environnement et performance économique.

La biotechnologie industrielle, dite “blanche”, a vu fleurir des milliers de procédés fermentaires à l’état de pilote ou de développement en laboratoire. Pour autant, la mise à l’échelle industrielle est un tel défi technique et économique qu’il peut être difficile de distinguer ceux sur lesquels on peut compter pour remplacer durablement les ingrédients conventionnels en très gros volumes, sans perdre en qualité, en performances et en compétitivité.

Avec l’ambition de toujours réconcilier performance, durabilité et compétitivité, nous partageons l’expérience d’AFYREN, qui a pu s’affranchir de certaines contraintes lors de la mise au point de son procédé.

La fermentation, premier vecteur de ressources renouvelables pour l’humanité

La toute première économie circulaire s’est établie bien avant l’homme. Pour que la biosphère se maintienne, des cycles de métabolisation se sont mis en place, dans lesquels les micro-organismes se nourrissent de l’énergie et de la matière pour se développer, et excrètent des composés, remis à contribution dans le cycle naturel. Dans le cas de la fermentation, ce processus peut se faire en milieu « aérobie » ou « anaérobie », c’est-à-dire en présence ou non d’oxygène. Dans un cas comme dans l’autre, les microorganismes vont puiser ces atomes dans le substrat, comme des glucides, pour en tirer de l’énergie. Le produit de cette transformation est un ensemble varié de molécules (métabolites) qui pourront à leur tour être utilisés par d’autres micro-organismes, ou rentrer dans des processus physico-chimiques naturels (évaporation, cristallisation, équilibres acido-basiques, oxydo-reduction etc.).

La fermentation industrielle comme méthode d’obtention de produits biosourcés d’intérêts

Le processus de fermentation a été très tôt utilisé par l’homme, avec une subtilité et des fonctionnalités grandissantes en fonction du niveau de maîtrise. Elle accompagne la sédentarisation et est utilisée dès l’ère sumérienne, entre 8000 et 4000 avant JC, pour conserver les produits frais issus majoritairement de l’exploitation agricole. Au-delà d’améliorer les conditions de survie, elle est à l’origine d’une culture culinaire propre à chaque aire géographique à travers le développement du vin, de la bière, des fromages, des yaourts, des légumes fermentés (choucroute, cornichons, kimchi…), du vinaigre, de la sauce soja, du pain, des charcuteries.

L’autre grand pivot dans l’utilisation de ce procédé intervient au XIXème siècle, avec les prémices de l’enzymologie, lorsque Louis Pasteur met en évidence que des micro-organismes sont responsables des transformations observées lors de la fermentation. C’est la naissance au XXème siècle des biotechnologies et de l’utilisation des micro-organismes de façon industrielle qui a permis d’en tirer des produits d’intérêt : premiers vaccins, premiers antibiotiques, et la levure boulangère.

Au fil du siècle dernier se sont développées des industries mettant en œuvre en très grandes capacités des processus de fermentation, pour obtenir des produits biosourcés industriels destinés à des applications hors alimentaire. Le plus connu et le plus largement produit est le bioéthanol avec plus de 90 millions de tonne par an au niveau mondial. Celui-ci trouve des applications dans les carburants « verts », la chimie, l’alimentaire, la parfumerie, ou encore la pharmaceutique. D’autres produits de la fermentation moins médiatisés, mais tout aussi essentiels dans notre quotidien existent, tels que les acides lactiques, les acides glutamiques, etc.

L’essor des technologies de production, le séquençage des génomes des micro-organismes, et le développement de nouvelles souches, ont permis l’émergence des tous nouveaux procédés de fermentation, et rendre ainsi la biotechnologie plus accessible pour l’élaboration de procédés industriels. Ainsi, des nouvelles molécules à forte valeur ajoutée, jusqu’ici obtenus de ressources conventionnelles ont pu être produites grâce à la fermentation, et notamment des molécules emblématiques telle que la vanilline.

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AFYNERIE® : un processus biomimétique pour une fermentation innovante et compétitive

Pour dépasser ces contraintes, nous avons choisi une approche originale chez AFYREN, celle du biomimétisme, qui vise à mimer la nature au plus près tout en conservant des objectifs de performances industrielles. Nous nous basons sur des chaines métaboliques retrouvées dans les écosystèmes naturels (rumen des ruminants, lacs…), pour produire un ensemble de molécules (et non plus une seule visée) en utilisant des substrats bruts sans prétraitements, tels que la pulpe de betterave, et un mix de micro-organismes plutôt qu’un seul pour transformer toute la matière à disposition grâce à un bagage enzymatique naturel riche et varié.
Dans cette approche industrielle à contrecourant qui place la sobriété au cœur de son modèle économique, il s’agit de trouver le meilleur débouché à chacune des molécules produites naturellement, par ces micro-organismes, au lieu de chercher une optimisation maximale sur un seul produit valorisable.

Cette approche nous permet de nous affranchir de contraintes technico-économiques fortes puisque la fermentation n’est que peu contrainte et offre donc plusieurs avantages. L’ensemble des micro-organismes naturels vivant en symbiose, il n’est pas nécessaire de développer une ou des souches performantes par modification génétique, de stériliser le milieu ou d’utiliser des intrants très spécifiques pour assurer leur survie et leur productivité.

Finalement, cette population de micro-organismes transforme, avec un fort rendement, des substrats divers. Le procédé AFYREN peut fonctionner avec un large panel de résidus organiques ou co-produits agricoles répartis sur l’ensemble du globe et sans concurrencer l’alimentation humaine. Ainsi, les ressources ne sont pas un facteur limitant à la production et les unités se veulent territoriales et circulaires. Il devient possible de produire au plus près des producteurs et des utilisateurs aval, grâce à des ressources locales, permettant le développement d’une économie circulaire intégrée.

Ainsi, ce processus est finalement transposable partout où il y a des ressources fermentescibles, à des volumes de fermentation élevés, tout en permettant de maximiser la transformation pour en obtenir des produits valorisables, et ainsi, n’avoir aucun résidu non exploité en sortie. Au final, la technologie AFYNERIE permet de fabriquer des molécules biosourcées avec une empreinte carbone très réduite (5 fois plus faible que leurs homologues pétro-sourcés) tout en préservant les ressources naturelles. Et plus largement de prouver qu’il est possible de marier Ecologie et Economie et contribuer à la transformation des filières industrielles.