Des chimistes fabriquent de l’hydrogène à partir de chapelure dans le cadre d’une réaction révolutionnaire qui pourrait remplacer certains combustibles fossiles

La chapelure issue des déchets alimentaires pourrait remplacer les combustibles fossiles comme source d’hydrogène dans l’une des réactions chimiques les plus couramment utilisées dans la fabrication de produits chimiques, suggèrent de nouvelles recherches.

Le nouveau processus, rapporté le 23 février dans le journal Chimie naturellecombine les processus naturels de fermentation chez les bactéries avec la catalyse métallique pour générer une gamme de produits chimiques précieux à partir de simples déchets alimentaires. Les calculs ont montré que cette procédure hybride était globalement négative en carbone, et les auteurs pensent que cela pourrait être la première étape pour réimaginer la fabrication de produits chimiques en une industrie plus durable.

L’hydrogénation est un processus chimique qui insère une molécule d’hydrogène à travers une double liaison et constitue une réaction de base dans la production alimentaire, la fabrication de plastiques et la synthèse de composés médicamenteux.

Cependant, la majeure partie de l’hydrogène gazeux utilisé dans cette réaction provient de combustibles fossiles grâce à un processus sale et énergivore appelé reformage à la vapeur, qui produit 15 à 20 kilogrammes de dioxyde de carbone pour chaque kilogramme d’hydrogène généré. Par conséquent, l’hydrogénation constitue un énorme défi en matière de durabilité pour l’industrie chimique, et les scientifiques recherchent de toute urgence des alternatives plus écologiques.

Se tournant vers la nature, Stephen Wallaceprofesseur de biotechnologie chimique à l’Université d’Édimbourg, a décidé d’étudier s’il était possible d’exploiter le pouvoir de la biologie pour résoudre ce problème. chimie problème. De nombreuses bactéries produisent naturellement de l’hydrogène lorsqu’elles sont forcées de respirer de manière anaérobie (sans oxygène) et libèrent un flux constant de ce gaz dans leur environnement. Si cela pouvait être lié à un système chimique compatible, il serait théoriquement possible d’utiliser du biohydrogène dans une réaction d’hydrogénation, éliminant ainsi le besoin de combustibles fossiles dans ce processus, a expliqué Wallace.

« Le principal défi consistait à trouver un catalyseur capable de fonctionner dans un système vivant, dans l’eau, à des températures douces et sans endommager les cellules », a-t-il déclaré à Live Science dans un e-mail. « Nous avons dû équilibrer les deux côtés : un catalyseur qui reste actif dans un environnement biologique complexe et des microbes qui continuent de fonctionner en présence du catalyseur. »

Changement de culture

L’équipe cultivée E. coli bactéries dans un milieu contenant du glucose, en ajoutant un catalyseur commercial au palladium et un substrat de test avant de barboter le mélange pour éliminer l’oxygène. La réaction sans oxygène a été incubée à 98,6 degrés Fahrenheit (37 degrés Celsius) pendant une journée, et une analyse ultérieure a révélé que la souche la plus performante avait produit le produit d’hydrogénation attendu avec un rendement de 94 %.

« Le catalyseur métallique entre et est essentiellement lié à la membrane cellulaire », Simone Morraun biotechnologue de l’Université de Nottingham qui n’a pas participé aux travaux, a déclaré à Live Science. « La cellule elle-même produira de l’hydrogène, puis dès que l’hydrogène commencera à se diffuser hors de la cellule, il frappera ce catalyseur métallique, qui effectuera la deuxième partie de la réaction et produira un produit d’hydrogénation. »

Une fois un système biocompatible établi, Wallace a ensuite cherché à remplacer la matière première coûteuse en glucose par une alternative moins chère et plus durable. En se concentrant sur les déchets de pain, l’équipe a utilisé des enzymes microbiennes pour briser les molécules complexes de glucides contenues dans la chapelure en unités simples de glucose. Ce combustible dérivé des déchets était ensuite acheminé directement vers le E. coli cultures, convertissant efficacement la chapelure en hydrogène.

Mais les chercheurs avaient un dernier tour dans leur sac : au lieu de nourrir la culture bactérienne avec une molécule précurseur, ils ont génétiquement modifié certaines souches pour produire les substrats requis au sein des cellules elles-mêmes. « C’est génial et très inspirant », a déclaré Morra. « Ils montrent qu’ils peuvent capitaliser sur les capacités de synthèse des E. coli. Essentiellement, ils peuvent utiliser les voies carbonées de la cellule pour fabriquer le substrat de leur choix. »

L’utilisation d’hydrogène biogénéré a permis de diviser par trois les émissions de gaz à effet de serre par rapport à l’utilisation de combustibles fossiles. Le processus d’hydrogénation alimenté par le fil d’Ariane, en particulier, a réduit le potentiel de réchauffement climatique de plus de 135 %, ce qui correspond à une empreinte carbone négative.

L’équipe travaille désormais à augmenter le nombre de substrats possibles et à développer le processus permettant d’accepter davantage de types de biodéchets. À terme, ils espèrent que la méthode pourra être intégrée à la synthèse chimique industrielle.

« À l’heure actuelle, le système fonctionne mieux avec des alcènes plus simples », ou des molécules contenant une double liaison carbone-carbone, a déclaré Wallace. « Ce n’est pas encore aussi efficace que les processus industriels, mais cela démontre une manière fondamentalement nouvelle de réaliser l’hydrogénation. Pour la rendre viable, nous devons améliorer l’efficacité, faire évoluer la biologie et développer des catalyseurs qui restent stables et rentables à l’échelle industrielle. »