Overcoming bottlenecks in aerobic gas fermentation : Lessons from CO2-based isopropanol formation by Cupriavidus necator

La fermentation sur substrats gaz est un procédé prometteur pour recycler les émissions de dioxydede carbone en produits à haute valeur ajoutée, réduisant ainsi la dépendance aux procédés à base decombustibles fossiles. Ce mémoire explore la production d’isopropanol, permettant la valorisationde flux gazeux riches en CO2 et contenant de l’O2 par la bactérie Cupriavidus necator.Un système de culture en flacons agités a été mis en place pour permettre la parallélisation descultures autotrophes en réplicats. Une surpression jusqu’à 1,5 bar a amélioré le transfert gazeux.Le suivi de la réduction de pression a permis un apport en gaz adapté aux besoins cellulaires,permettant des taux de croissance de 0,13–0,15 h−1. La composition du milieu a été adaptée auxconditions autotrophes, avec un accent sur l’apport en nickel.Huit souches ingénierées pour la synthèse d’isopropanol ont été caractérisées en conditionshétérotrophes et autotrophes. Bien que les vitesses de croissance aient été similaires entreles souches, la culture hétérotrophe (µ= 0,20–0,26 h−1) est plus rapide que l’autotrophe (µ=0,09–0,10 h−1), reflété par des vitesses de production plus faibles en autotrophie (réduction de 46à 62 %). Rendements spécifiques et concentrations finales en produit étaient aussi réduits, maisde manière moins marquée(13 à 34 %). En hétérotrophie, les souches inductibles Re2133/pEG7cet Re2133/pJLSG02 figuraient parmi les plus performantes, alors qu’‘elles produisaient peu enautotrophie.La souche Re2133/pEG7c, portant l’opéron isopropanol sous contrôle du promoteur Pbad inductibleà l’arabinose, cultivée en bioréacteur fed-batch à µ faible imposé par un apport d’azote limitanta produit l’isopropanol. En revanche, en flacons agités, la production s’est arrêtée dès que lacroissance cessait. Cet effet – spécifique aux promoteurs inductibles en autotrophie – a desimplications importantes pour le développement de procédé. Les promoteurs Pbad et Prham nesemblent pas adaptés en cas de carence azotée en autotrophie. Une souche utilisant le promoteurPgln, auto-induit sous limitation azotée, a été caractérisée pour la première fois. La production s’estpoursuivie malgré la carence azotée. Ce type de promoteur propose une alternative prometteusepour la culture autotrophe. Enfin, il a été montré que la co-expression des voies de synthèse dePolyHydroxyButyrate et d’isopropanol réduit les rendements en isopropanol, confirmant l’intérêtd’utiliser une souche hôte dépourvue de PHB.L’utilisation d’un bioréacteur pourvu de 3 diffuseurs de gaz indépendants, équipé de sondes demesures des gaz dissous (H2, O2, CO2) et pouvant monter jusqu’à 3 bar de surpression, a permisd’adapter finement l’alimentation gazeuse aux besoins des souches. La souche Re2133 (délétionPHB) a atteint 23 g L−1 de biomasse. La souche Re2133/pEG7c a produit 11 g L−1 d’isopropanolavec 19 g L−1 de biomasse – la concentration d’isopropanol la plus élevée rapportée dans lalittérature pour C. necator en autotrophie. Le rapport H2/CO2 a augmenté au cours de la cultureen mode fed-batch, indiquant une demande croissante en hydrogène. Le rapport d’absorptionO2/CO2 est resté autour de 3 mol mol−1.Un cas d’étude a été réalisé à l’aide des gaz résiduels industriels réels pour évaluer l’impact potentieldes impuretés. Le biogaz issu de méthaniseur, contenant 37 % de CO2, a été utilisé avec succès comme source de carbone, conduisant à un enrichissement en méthane. Une phase de latenceplus courte et des concentrations de produit plus élevées qu’avec des gaz de qualité laboratoireont été observées, probablement grâce à des traces d’acides gras volatils servant de source decarbone hétérotrophe. De plus, les fumées d’une usine d’incinération ont été utilisées commesources d’O2 et de CO2. Malgré la présence de métaux lourds, la croissance et la production sontrestées comparables aux cultures avec des gaz de laboratoire, et un enrichissement en azote a étédémontré.