Towards a Microbial Production of Fatty Acids as Precursors of Biokerosene from Glucose and Xylose Vers une production microbienne d’acides gras en vue de l’application biokérosène à partir de glucose et xylose

Abstract

The aviation industry considers the development of sustainable biofuels as one of the biggest challenges of the next ten years. The aim is to lower the environmental impact of the steadily increasing use of fossil fuels on climate change, yielding greater energy independence and fuel security. Thus, the development of a new route for the production of lipids from renewable non-food resources is now being promoted with the recent ASTM certification of hydrotreated oils. Our study focuses on the potential of growth of the oleaginous yeast Rhodotorula glutinis using glucose and xylose which can come from renewable lignocellulosic substrates and of lipid accumulation using glucose as substrate. Experiments were carried out in fed-batch mode which allowed feed flux management. Carbon fluxes were controlled with modifying xylose/glucose ratios to quantify metabolism in optimal growth condition. Besides, the management of carbon and nitrogen fluxes allowed characterizing lipid accumulation. Thus, it has been shown that the yeast Rhodotorula glutinis can simultaneously consume glucose and xylose. When the ratio xylose/glucose increased, the growth rate and the carbon conversion yield into biomass decreased: it was of 0.36 h-1 and 0.64 Cmol x*.Cmol glu-1 for pure glucose, it was of 0.15 h-1 and 0.56 Cmol.Cmol-1 for 10% xylose and it was of 0.037 h-1 and 0.18 Cmol.Cmol-1 for pure xylose. The necessity to maintain residual growth and to manage carbon fluxes to optimize lipid accumulation performance was revealed. Lipid accumulation on glucose engendered a final biomass concentration of 150 gCDW.L-1, microbial production (72% of lipids) and maximal productivity over 1.48 glip.L-1.h-1. The culture temperature is an important parameter to modulate the lipid profile. The results were encouraging. Lipid accumulation using lignocellulosic feedstock was shown to be a highly promising route. Le développement de filières de production de molécules énergétiques en substitution au kérosène constitue un défi majeur pour l’industrie aéronautique afin de minimiser l’impact environnemental de son activité et de répondre à ses besoins en énergie, dont la demande est croissante. Le développement d’une nouvelle voie de production de lipides à partir de ressources renouvelables non alimentaires ouvre des perspectives prometteuses avec la certification ASTM des huiles hydrotraitées. Les travaux expérimentaux consistent en l’étude, d’une part, des potentialités de croissance de la levure oléagineuse Rhodotorula glutinis à partir de glucose et/ou xylose, substrats osidiques issus des ressources lignocellulosiques, et d’autre part, des potentialités d’accumulation de lipides à partir de glucose. Des cultures en mode fed-batch ont permis le contrôle des flux d’alimentation : en carbone, en condition de croissance, selon un ratio xylose/glucose variable pour la quantification du métabolisme, et en azote, en condition de production de lipides. Il a été montré que la levure Rhodotorula glutinis est capable de consommer simultanément le glucose et le xylose. Le taux de croissance et le rendement de conversion du carbone en biomasse diminuent en fonction de la composition du mélange xylose/glucose : à savoir 0,36 h-1 et 0,43 Cmol. x*.Cmol glu-1 sur glucose pur, 0,15 h-1 et 0,56 Cmol.Cmol-1 sur 10 % de xylose, 0,037 h-1 et 0,18 Cmol.Cmol-1 sur xylose pur. Par ailleurs, lors d’expérimentation en condition. d’accumulation lipidique, il a été mis en évidence la nécessité de maintenir une croissance résiduelle par le contrôle des flux d’azote et de carbone. Lors de la phase de production de lipides sur glucose, il a été ainsi obtenu une concentration finale en biomasse de 150 gCDW.L-1 contenant 72 % de lipides en masse; la productivité volumétrique maximale atteint 1,5 glip.L-1.h-1, avec un rendement de conversion du glucose en lipides égal à 95 % du rendement théorique limite La température de culture se révèle un paramètre opératoire important pour la modulation du profil lipidique. Ces résultats sont originaux et ils ont permis l’obtention de très hautes performances, en culture intensive. Ils argumentent des potentialités de développement d’une stratégie de production de lipides par conversion de toutes les fractions osidiques des substrats lignocellulosiques pour des usages biokérosène après hydrotraitement.