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BTS ANABIOTEC ont mené un projet visant à produire du bioéthanol en laboratoire

25 mars 2024

Dans le cadre de leur formation, les étudiants de deuxième année du BTS ANABIOTEC ont mené un projet visant à produire du bioéthanol en laboratoire. Ce projet d’étude, réalisé sur plusieurs jours d’expérimentation, s’inscrit dans un contexte d’apprentissage pluridisciplinaire, où les notions fondamentales étudiés en cours ont été mises en pratique pour une compréhension des processus biotechnologiques.

La production d’éthanol par les élèves a été possible grâce à l’exploitation des propriétés métaboliques de la levure Saccharomyces cerevisiae cultivée ici en bioréacteur. Cette levure, communément utilisée dans la panification et la fabrication de boissons alcoolisées, est réputée pour son efficacité dans la fermentation alcoolique en conditions anaérobies, c’est-à-dire en absence d’oxygène. Dans cet environnement, la levure opte pour un métabolisme de survie : au lieu de consommer les sucres pour la production de nouvelles cellules, elle utilise cette ressource pour produire de l’éthanol et du dioxyde de carbone, produisant ainsi l’énergie nécessaire à sa survie. Ce mécanisme est une illustration parfaite de l’adaptabilité des micro-organismes aux conditions extrêmes.

La première étape de ce projet a consisté à se pencher sur les aspects pratiques et techniques de l’expérimentation qu’ils devaient réaliser. Cette partie de leur travail a été axée sur une mise en application méticuleuse des principes biotechnologiques dans un cadre contrôlé, permettant ainsi une analyse précise et approfondie des processus en jeu. De cette réflexion, les étudiants ont ainsi pu déterminer l’ensemble des paramètres de culture à contrôler (i.e. la composition du milieu de culture, la température, le pH, la teneur en oxygène dans le bioréacteur…) afin d’élaborer un protocole expérimental de culture optimal pour leur production d’éthanol.

L’étape suivante réalisée par les étudiants consistait à préparer le matériel, les différents réactifs dont ils avaient, leur milieu de culture ainsi que leur population de levure à ensemencer dans le bioréacteur.

 

Dès le début de la culture des cellules de S. cerevisiae dans le bioréacteur, les étudiants ont réalisé des prélèvements toutes les heures afin de réaliser leur projet d’étude.

 

 

 

 

  Réalisation d’un prélèvement de la culture microbienne dans le bioréacteur.

Sur chacun des prélèvements réalisés, les étudiants ont évalué le développement de la biomasse fongique par spectrophotométrie et dénombrement sur cellule de Thoma, déterminer la viabilité des cellules au cours du temps par observation en microscopie à épifluorescence après marquage des cellules par un fluorochrome et filtration sur membrane.

Observation des cellules de S. cerevisiae en microscopie. (A) Observation en microscopie à lumière blanche des cellules marquées au bleu de méthylène sur cellule de Thoma. Les cellules incolores correspondent aux cellules vivantes, les cellules bleues correspondent aux mortes. (B) Observation en microscopie à épifluorescence des cellules marquées à l’acridine orange. Les cellules oranges correspondent aux cellules vivantes, les cellules vertes correspondent aux cellules mortes.

Parallèlement, la concentration en glucose du milieu de culture a été suivie attentivement. Cette mesure, effectuée via la méthode de dosage chimique, avait pour but d’évaluer la consommation de ce sucre par les levures au fil du temps, une donnée clé pour comprendre l’efficacité de la fermentation.

Enfin, la détermination de la concentration en éthanol dans le milieu de culture a été réalisée. Grâce à une technique de dosage enzymatique et des mesures d’absorbance dans l’UV, les étudiants ont pu quantifier la production d’éthanol, résultat final de la fermentation alcoolique. Ces données leur ont permis de juger de l’efficacité de la levure dans la transformation du glucose en éthanol dans leurs conditions de culture.

Résultats obtenus par les étudiants en fin d’expérimentation.

A l’issue de leur culture en bioréacteur, les étudiants ont pu analyser les résultats. En début de mise en culture, les étudiants ont pu observer une augmentation de la biomasse fongique jusqu’à T=6h avant de constater un ralentissement de la croissance expliquée par la disparition du dioxygène dissout dans le milieu de culture. Parallèlement, les mesures de la concentration en glucose aux différents points de prélèvement ont montré une diminution constante de la teneur en glucose dans le milieu de culture. La production d’éthanol, métabolite secondaire produit par fermentation uniquement en absence de dioxygène, semble quant à elle concomitante avec le ralentissement de la multiplication cellulaire dans le bioréacteur. A partir de 6 heures de culture, le manque d’oxygène dans le bioréacteur à induit le passage des levures en phase fermentaire pour assurer leur survie. Le glucose, qui était principalement utilisé pour la multiplication cellulaire en début de culture a été, en milieu d’expérimentation, mobilisé par les levures pour la production d’éthanol.

Au final, les étudiants ont pu calculer les rendements de production à partir de leurs résultats. Le rendement de conversion glucose/biomasse était de 17% contre 77% pour le rendement de conversion glucose/éthanol. Autrement dit, environ 80% du glucose présent dans le milieu de culture en début de culture a bien été transformé en éthanol. En terme de productivité, les étudiants ont ainsi pu produire environ 1,71 gramme d’éthanol par litre de milieu et par heure.

Pour terminer ce module pratique, les étudiants ont été amenés à réfléchir à comment ils pourraient améliorer leur processus de production en augmentant leur rendement de production d’éthanol tout en réduisant leur production de biomasse.

Au-delà de ses applications directes, ce projet a également soulevé des questions importantes sur les enjeux sociétaux et environnementaux liés à la production de molécules d’intérêts dans le domaine des biotechnologies. La possibilité d’exploiter des systèmes biologiques pour développer ou créer de nouveaux produits et processus, allant de la production de molécules thérapeutiques à la fabrication d’aliment, en passant par la dépollution des écosystèmes ou la production de nouveaux matériaux, place le domaine des biotechnologies au cœur des innovations qui façonnent notre avenir.

Ainsi, l’approche méthodique et les expérimentations rigoureuses qu’ont mené les étudiants au cours de ce module a non seulement renforcé leur compréhension des processus biotechnologiques en jeu, mais ont également contribué à leur formation pratique, les préparant à de futures applications professionnelles qui seront, cette fois, à échelle industrielle.