BIOTECHNOLOGIES BLANCHES (INDUSTRIE)

L'homme a vécu, depuis des millénaires, pour se nourrir, se vêtir et se loger dans des conditions souvent difficiles, grâce aux plantes, aux animaux et, sans le savoir, aux micro-organismes. Au début du XXᵉ siècle, le développement de la chimie organique et de la pétrochimie a changé la donne. Depuis quelques décennies, l'épuisement prévisible des ressources pétrolières et les progrès remarquables de la biologie donnent une nouvelle jeunesse aux industries du vivant.

L'utilisation des biotechnologies pour la production industrielle de biens peut effectivement apporter des solutions pour assurer un développement durable dans différents domaines industriels. Dans de nombreux cas, néanmoins, leur viabilité économique reste à démontrer.

Les gouvernements et les industriels remplacent ou tentent de remplacer les produits dérivés du pétrole par des produits, identiques ou nouveaux, issus de ressources renouvelables. Les arguments avancés pour aller dans cette voie sont les suivants :

• Une dépendance accrue de l'industrie vis-à-vis du pétrole importé, l'augmentation de son coût et son épuisement envisagé dans les cinquante ans à venir ;
• L'impact sur l'environnement et sur la santé de produits de synthèse difficilement dégradables ;
• La nécessité de diminuer la consommation d'énergie.

Un secteur entier des biotechnologies, appelé biotechnologies blanches, répond à cette approche. Il utilise des organismes vivants et des enzymes pour synthétiser des produits facilement biodégradables, en utilisant moins d'énergie et créant moins de déchets.

Domaines d'applications

On examinera la production d'enzymes et leur utilisation pour la production d'aliments, de détergents, de pâte à papier et de textiles, puis l'utilisation des biotechnologies par l'industrie chimique (les biocarburants dont l'étude a déjà fait l'objet d'une communication à l'Académie des technologies ne sont pas traités dans ce rapport).

Production d'enzymes et domaines d'application

Une classification sommaire des enzymes industrielles est donnée en Annexe 1.

La production mondiale annuelle d'enzymes serait de l'ordre de 70 000 tonnes, dont environ 30 à 45 % destinés à l'industrie agroalimentaire, 33 % aux détergents, 8 à 15 % au textile, 5 % à l'industrie chimique et 1 à 3 % à la pâte à papier. Le Danemark, depuis le rachat de Genencor par Danisco, assure près des deux tiers de cette production.

Peu de données sont disponibles sur le bilan environnemental de la fabrication d'enzymes et sur les moyens de l'améliorer. Seuls quelques exemples d'analyses de cycles de vie ont été publiés par Novozymes concernant, par exemple, les phytases. Selon cette société, l'utilisation de micro-organismes génétiquement modifiés a permis de réduire l'impact environnemental de la fabrication d'enzymes par un facteur 2 à 6 selon les critères considérés, à savoir : réchauffement climatique, acidification, consommation de matières premières, photochimie (formation d'ozone).

Applications sectorielles

Industrie agroalimentaire : de très nombreuses enzymes sont utilisées par l'industrie agroalimentaire dans des secteurs aussi variés que les produits laitiers, la panification, l'amidonnerie, les jus de fruits, en général pour améliorer la qualité des produits agricoles (Annexe 2 et Annexe 3). Certaines sont fabriquées à partir d'organismes génétiquement modifiés (Annexe 4). Novozymes détient 30 à 35 % du marché. Les implications environnementales sont difficiles à mesurer parce que si une technologie enzymatique a une diffusion de 100 %, comme c'est souvent le cas dans le domaine agroalimentaire, il n'y a plus la technologie correspondante sans enzyme pour comparaison et il est bien difficile d'évaluer les impacts de technologies obsolètes.

Industrie des détergents : L'utilisation d'enzymes dans ce secteur est différente de celle des autres secteurs industriels puisqu'il s'agit d'ajouter les enzymes au produit fini. Ayant débuté en 1960, il s'agit de la plus vieille utilisation courante d'enzymes. Quelques années plus tard (1971), 90 % des détergents contenaient des enzymes à l'exception notable des détergents liquides de surface (exclusion pour risques d'allergie). Le total des ventes dépasse aujourd'hui 600 millions €. Novozymes possédant 50 % du marché et Danisco Genencor 20 à 25 %. Les implications environnementales sont claires : économie d'énergie de 70 % par lavage à 40 °C et élimination de substances chimiques toxiques.

Industrie de la pâte à papier : L'utilisation des enzymes dans l'industrie papelière est mal connue mais importante. Plusieurs types d'enzymes sont utilisés :

• Cellulases, hémicellulases et pectinases pour la mise en pâte ;
• Cellulases et xylanases pour le blanchiment permettant la suppression de l'utilisation du chlore et évitant la production de composés organochlorés absorbables (AOX) nuisibles pour l'environnement ;
• Lipases pour la réduction des poix ;
• Cellulases et hémicellulases pour le désencrage des papiers recyclés.

La suppression de l'utilisation du chlore, la réduction de la demande énergétique de 30 %, l'amélioration de l'ordre de 10 % des rendements permettent de comprendre combien est important l'impact sur l'environnement.

Industrie textile : Les enzymes sont utilisées à plusieurs étapes du traitement textile, pour le coton, le chanvre et le lin par exemple, notamment pour éliminer les impuretés des fibres de coton, pour éliminer le peroxyde d'hydrogène, les excès de colorants (peroxydase), pour effectuer le vieillissement. Novozymes détient plus de 60 % du marché. L'avantage environnemental est très net : alors que le traitement à la pierre ponce est une opération très consommatrice d'énergie et d'eau (100 litres par kilogramme de textile traité), l'utilisation des enzymes réduit les quantités de produits chimiques, d'eau et d'énergie utilisées.

 

Production de produits chimiques par biotechnologie

Les biotechnologies sont utilisées pour produire, à partir de matériaux renouvelables, à l'échelle industrielle, des produits chimiques incluant des molécules biologiques actives comme les vitamines (B12, riboflavine), les acides aminés (lysine, thréonine), les acides (citrique, lactique, gluconique), les solvants, les polymères (polyacrylamides, polyactides, polyhydroxyalcanoates, polyglutamates), les biopolymères (remplacement du téréphtalate d'éthylène et de l'acide adipique par l'acide succinique), des biocarburants (bioéthanol). Les tonnages vont de quelques tonnes par an pour la vitamine B12 (15 tonnes/an) à plusieurs millions de tonnes pour le bioéthanol (3,5 millions de tonnes). La production industrielle d'acide lactique comme précurseur dans la synthèse de polymères biodégradables (PLA) est l'une des réalisations les plus avancées avec la production de 140 000 tonnes de PLA en vue de la fabrication d'emballages biodégradables.

D'autres polymères issus de la pétrochimie pourraient être remplacés par des produits chimiques à partir de matières premières renouvelables si les coûts étaient compétitifs et si les industriels acceptaient d'investir dans de nouvelles installations. Les technologies reposant sur la pétrochimie pourraient alors être remplacées : polyéthylène, polypropylène et polyesters. Pour un substitut du polyéthylène téréphtalate, les techniques biotechnologiques utilisent 20 à 30 % d'énergie en moins et réduisent les émissions de gaz à effet de serre.

L'exemple de l'acrylamide – Nittobo en fabrique 120 000 tonnes – est illustratif (voir Annexe 5 les avantages du procédé biotechnologique sur le procédé chimique).

Perspectives

Comparativement aux procédés chimiques, les avantages des biotechnologies sont les suivants :

• Utilisation de matières premières renouvelables ;
• Diminution de la consommation d'énergie, en raison de la mise en œuvre de températures et de pressions moins élevées (voir Annexe 8) ;
• Diminution de la consommation d'eau ;
• Utilisation de catalyseurs biodégradables ;
• Réduction de la quantité de coproduits (solvants, catalyseurs chimiques, gaz à effet de serre).

On peut ajouter des avantages purement techniques : réactions plus rapides, réduction du nombre d'étapes de certains procédés (spectaculaire pour la production de cortisone par exemple : huit étapes chimiques et complexes remplacées par une étape « bio » grâce à l'utilisation d'une enzyme génétiquement modifiée), meilleurs rendements, pureté des produits, spécificité des réactions, respect de la chiralité.

Cependant, la chimie traditionnelle s'avère supérieure aux procédés biotechnologiques en ayant accès à des matières premières de qualité constante et à un genre de produits beaucoup plus large, par sa maîtrise des procédés et, très souvent, par des installations amorties.

Un développement plus important des biotechnologies blanches ne pourra se réaliser que si la recherche amont est amplifiée et si la réglementation concernant les procédés et les substances chimiques oblige les industriels à investir dans de nouvelles installations.

Annexes

Annexe 1 - Classification des enzymes

Les enzymes industrielles se répartissent en six classes principales.

Classification par type d'enzyme

Enzyme	Substrat	Réaction catalysée	Secteurs d'application
Protéases	Protéines	Hydrolyse des protéines en peptides	Détergence, industrie alimentaire, chimie, pharmacie
Amylases	Polysaccharides	Hydrolyse des glucides en sucres	Détergence, chimie, industrie alimentaire, pharmacie
Lipases	Lipides	Hydrolyse des lipides en acides gras et glycérol	Industrie alimentaire, détergence, pharmacie, traitement des effluents
Pectinases	Pectine	Dégradation des pectines	Clarification des jus de fruits
Cellulases	Cellulose	Hydrolyse de la cellulose en sucres	Alimentation animale, textiles, détergents, énergie
Amylases	Polysaccharides	Hydrolyse de l'amidon	Industrie alimentaire, textile

Annexe 2 - Classement par nature des enzymes

Enzymes	Organismes d'origine	Exemples d'utilisation
Alpha-acétolactate décarboxylase	Bactérie	Élimination des substances indésirables de la bière
Alpha-amylase	Bactérie	Conversion de l'amidon en sucre
Catalase	Champignon	Réduction de la dégradation des mayonnaises à base d'œufs
Chymosine	Bactérie ou champignon	Présure pour les fromages
Cyclodextrine-glucosyl transférase et glucanase	Bactérie	Modification amidon/sucre
Glucose isomérase	Bactérie	Conversion du glucose en fructose
Glucose oxydase	Champignon	Réduction de la dégradation des aliments
Lipase	Champignon	Modification des huiles et graisses
Amylase maltogène	Bactérie	Boulangerie : mouillage du pain
Pectine estérase	Champignon	Clarification des jus de fruits
Protéase	Bactérie	Amélioration de la structure de la pâte à pain
Xylanase	Bactérie	Conversion de l'amidon en sucre
Hémicellulase	Bactérie ou champignon	Améliore la levée de la pâte à pain

Annexe 3 - Classement par domaines industriels

Procédé (protéases)	Applications pour la fabrication alimentaire
Lactase	Hydrolyse du lactose pour obtenir des produits sans lactose
Protéases	Hydrolyse des protéines dans les produits laitiers
Catalases	Élimination du peroxyde d'hydrogène
Cellulases, bêta-glucanases, alpha-amylases, protéases, amylases maltogènes	Liquéfaction, clarification, compléments des enzymes de malt
Amyloglucosidase	Transformation de l'amidon en sucre
Alpha-amylases	Hydrolyse de l'amidon et production de maltose
Amyloglucosidases	Saccharification
Amylase maltogène	Retarde le rassissement du pain
Protéases	Décomposition des protéines
Pentosanase	Décomposition des pentosanes
Glucose-oxydase	Stabilité de la pâte
Pectinase	Augmentation du rendement et de la clarification du jus
Glucose-oxydase	Extraction de l'oxygène
Protéase	Attendrissement de la viande
Protéases, trypsine, amino-peptidases	Décomposition de différents constituants
Alpha-amylase, glucoamylases, hemicellulases, amylases maltogènes, pullulanases, glucose-isomérases	Modification et transformation de l'amidon
Dextranases, bêta-glucanases	Traitement des glucides complexes

Annexe 4 - Enzymes issues de micro-organismes génétiquement modifiés

Enzymes obtenues par modification génétique	Applications
Alpha-acétolactate décarboxylase	Bière
Alpha-amylase	Boulangerie-pâtisserie, bière, détergents, amidon
Catalase	Mayonnaise
Chymosine	Fromage
Bêta-glucanase	Bière
Alpha-glucanotransférase	Amidon
Glucose-isomérase	Amidon
Glucose-oxydase	Boulangerie-pâtisserie, mayonnaise aux œufs
Hémicellulase	Boulangerie-pâtisserie
Lipase	Matières grasses, huiles
Amylase maltogène	Boulangerie-pâtisserie, amidon
Phosphatase microbienne	Produits laitiers
Phytase	Alimentation animale
Protéase	Boulangerie-pâtisserie, bière, produits laitiers, amidon, légumes
Pullulanase	Bière, amidon
Xylanase	Boulangerie-pâtisserie, amidon