Les carapaces de crustacés et les déchets de bois tels que les branches taillées des arbres finissent généralement dans les décharges. Ces déchets retrouvent une nouvelle vie pour devenir des compléments nutritionnels et des médicaments, à l'aide d'un nouveau procédé développé par des chercheurs de l'Université nationale de Singapour (NUS).

Une équipe dirigée par le professeur agrégé Yan Ning et le professeur adjoint Zhou Kang du département de génie chimique et biomoléculaire de la faculté de génie NUS a mis au point une méthode pour transformer les carapaces de crevettes et de crabes en L-DOPA, un médicament largement utilisé pour traiter la maladie de Parkinson. Une méthode similaire peut être utilisée pour convertir les déchets de bois en Proline, qui est essentiel pour la formation de collagène et de cartilage sains.

L'approche de conversion de l'équipe NUS peut potentiellement jouer un rôle central dans l'industrie chimique, car le mouvement des composés dérivés des déchets a pris de l'ampleur dans le but de réduire la dépendance à l'égard de l'utilisation de combustibles fossiles non renouvelables et de procédés énergivores.

Des déchets aux produits chimiques utiles

L'industrie mondiale de la transformation des aliments génère jusqu'à huit millions de tonnes de déchets de carapaces de crustacés chaque année. Parallèlement, Singapour a généré plus de 438, 000 tonnes de déchets de bois en 2019, parmi lesquels figurent des branches d'arbres taillées et de la sciure de bois provenant d'ateliers. Trouver des moyens de valoriser ces déchets alimentaires et agricoles en composés utiles apportera des avantages sans mettre à rude épreuve les décharges.

Bien que la réutilisation des déchets ait gagné du terrain ces dernières années, la production typique de produits chimiques issus du recyclage des déchets est souvent moins diversifiée que le pipeline de synthèse chimique conventionnel qui utilise du pétrole brut ou du gaz. Pour dépasser les limites, les chercheurs du NUS ont proposé une voie qui associe une approche chimique à un processus biologique.

Ils ont d'abord appliqué des processus chimiques aux déchets et les ont convertis en une substance pouvant être "digérée" par les microbes. La deuxième étape implique un processus biologique, semblable à la fermentation du raisin en vin, où ils ont conçu des souches spéciales de bactéries telles que Escherichia coli pour convertir la substance produite dans le processus chimique en un produit de plus grande valeur tel que les acides aminés.

L'équipe NUS a mis quatre ans pour dériver sa méthode, et l'a appliqué pour obtenir des produits chimiques de grande valeur à partir de sources renouvelables de manière durable.

Produire des produits chimiques organiques moins cher et plus rapidement

Classiquement, La L-DOPA est produite à partir de L-tyrosine, un produit chimique fabriqué à partir de sucres fermentés. Avec l'approche développée par l'équipe NUS, les déchets de crustacés sont d'abord traités par une simple étape chimique, lui permettant d'être utilisé par les microbes pour produire de la L-DOPA. Le rendement de la méthode NUS est similaire à celui obtenu dans la méthode traditionnelle utilisant des sucres. En outre, par rapport au glucose, le sucre le plus couramment utilisé, qui coûte entre 400 et 600 dollars US la tonne, les déchets de crevettes ne coûtent qu'environ 100 USD la tonne. Compte tenu du faible coût et de l'abondance des déchets de coquillages, le processus de l'équipe NUS a le potentiel de fournir de la L-DOPA à moindre coût.

Proline, d'autre part, est traditionnellement produit par des procédés biologiques purs. La méthode unique de l'équipe NUS a désormais remplacé la plupart des transformations en utilisant des procédés chimiques, qui sont beaucoup plus rapides. Par conséquent, le nouveau processus intégré pourrait atteindre une productivité plus élevée, et potentiellement conduire à des réductions des investissements en capital et des coûts d'exploitation.

La recherche sur la production d'acides aminés tels que la L-DOPA à partir de carapaces de crustacés a été publiée pour la première fois en ligne dans les Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS) le 25 mars 2020, tandis que les travaux sur la production de Proline à partir de déchets de bois ont été rapportés dans Angewandte Chemie le 27 juillet 2020.

"Les processus chimiques sont rapides et peuvent utiliser une variété de conditions difficiles telles qu'une chaleur ou une pression extrême pour décomposer une grande variété de déchets car aucun organisme vivant n'est impliqué, mais ils ne peuvent produire que des substances simples. D'autre part, les processus biologiques sont beaucoup plus lents, et nécessitent des conditions très spécifiques pour que les microbes se développent, mais peuvent produire des substances complexes qui ont tendance à être de plus grande valeur. En combinant des processus chimiques et biologiques, nous pouvons profiter des avantages des deux pour créer des matériaux de haute valeur, " a expliqué le professeur adjoint Zhou.

Potentiel de valorisation d'autres types de déchets

La méthodologie de l'équipe NUS a le potentiel d'être appliquée à différents types de déchets, et ils peuvent adapter le processus, en fonction du type de déchets ainsi que du produit final visé.

Avancer, l'équipe cherche à adapter son procédé unique à d'autres formes de déchets, comme le dioxyde de carbone et les vieux papiers. Un tel développement réduirait la dépendance de la société à l'égard des ressources non renouvelables pour l'acquisition de produits chimiques qui sont aujourd'hui des constituants importants de nombreux suppléments nutritionnels et médicaments.

« Notre nouveau flux de travail intégré chimico-biologique offre une voie générale pour produire une variété de produits chimiques organo-azotés de grande valeur. Bien qu'il puisse sembler simple sur le papier de simplement combiner deux méthodologies différentes, Le diable est dans les détails. Étant donné que ces produits chimiques se trouvent dans une vaste gamme de produits pharmaceutiques à valeur commerciale, pigments et nutriments, nous sommes ravis d'étendre nos recherches et de développer de nouvelles méthodologies pour produire des produits chimiques à valeur ajoutée à partir d'autres abondants, substrats disponibles localement trouvés à Singapour, " a partagé le Pr. Assoc Yan.

L'équipe de recherche envisage également de mettre à l'échelle les procédés actuellement développés dans leurs laboratoires, et de travailler avec des partenaires industriels pour commercialiser cette technologie.