La production biotechnologique à l'échelle industrielle de protéines et de vitamines est économiquement viable
Nourrir la planète avec des protéines issues d'autres sources que l'agriculture
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Des chercheurs mettent au point des procédés biotechnologiques permettant à des micro-organismes de produire des protéines et des vitamines destinées à la consommation humaine à partir d’ingrédients chimiques de base, tels que le dioxyde de carbone, l’hydrogène et l’oxygène, en contournant totalement l’élevage et l’agriculture. Comme ces méthodes nécessitent également un apport énergétique, on les appelle communément les procédés « power-to-protein » et « power-to-vitamin ». Le professeur Lars Angenent, biotechnologiste environnemental au sein du pôle d’excellence « Control of Microorganisms to Fight Infections » (CMFI) de l’université de Tübingen, a optimisé l’un de ces procédés en laboratoire ; celui-ci permet de produire des protéines ainsi que de la vitamine B9, également appelée acide folique.
Ce procédé est unique en ce sens qu’il comprend deux étapes, utilisant successivement deux micro-organismes différents. Lars Angenent et son équipe se sont attachés à déterminer s’il pouvait être transposé à une production industrielle techniquement et économiquement viable. Ils ont constaté qu’une installation de production capable de fournir à 5,6 millions de personnes la dose quotidienne recommandée de vitamine B9 et de contribuer à leur apport en protéines, aux prix du marché, serait rentabilisée en seulement cinq ans. L’étude a été publiée dans la revue PNAS.
La croissance démographique mondiale et le réchauffement climatique posent des défis majeurs à l’agriculture conventionnelle. L’élevage, en particulier, consomme beaucoup de ressources et contribue de manière significative au rejet de substances nocives pour l’environnement. Selon les estimations des Nations unies, dès 2023, 733 millions de personnes – soit plus de 9 % de la population mondiale – souffraient de sous-alimentation. « On craint que ce chiffre ne continue d’augmenter. Dans les pays les plus pauvres notamment, les besoins en protéines ne peuvent être satisfaits », explique Lars Angenent. Le corps humain ne peut pas produire seul tous les nutriments essentiels et dépend de l’apport de certaines protéines et vitamines.
Les prix de l’électricité ont un impact majeur sur le coût global
Les usines de conversion d’électricité en protéines et en vitamines ont besoin d’énergie pour faire fonctionner les bioréacteurs. Il s’agit de cuves contenant le liquide dans lequel des micro-organismes transforment les matières premières en produits souhaités dans des conditions contrôlées, telles qu’une température et une pression constantes. Une énergie supplémentaire est nécessaire pour produire de l’hydrogène libre à partir de l’eau. Dans le système de bioréacteurs à deux étapes mis au point par Lars Angenent, la bactérie Thermoanaerobacter kivui réduit le dioxyde de carbone en acétate à l’aide d’hydrogène, dans un environnement dépourvu d’oxygène, au cours de la première étape de production. Cette bactérie est peu exigeante et produit l’acide folique nécessaire à la production d’acétate. Par la suite, la levure de boulangerie – un champignon appelé Saccharomyces cerevisiae – transforme l’acétate en protéines en présence d’air. « La levure elle-même, enrichie en protéines et en acide folique, peut être consommée sans danger. En tant que complément alimentaire pris quotidiennement en petites quantités pour couvrir les besoins en vitamine B9, c’est un aliment sans danger », explique Angenent. « Si l’on souhaite couvrir l’intégralité des besoins en protéines à l’aide de protéines produites par des micro-organismes, la levure doit être purifiée afin d’éliminer les substances susceptibles de provoquer, par exemple, la goutte. Dans ce cas, le processus de fabrication devient d’autant plus complexe. »
Une installation de bioréacteurs à deux étages d’un volume de 1 750 mètres cubes, telle que décrite dans le calcul indicatif de l’équipe de recherche en biotechnologie, pourrait produire 12,9 kilotonnes de levure par an, contenant 813 kilogrammes d’acide folique et 5,6 kilotonnes de protéines. Cette quantité suffirait à fournir à 5,6 millions de personnes la dose quotidienne recommandée d’acide folique et 5 % de leurs besoins en protéines. À un prix de 20 dollars par kilogramme de levure enrichie, l’installation de production serait rentabilisée en cinq ans. « D’après nos calculs, le prix minimum pour une production économiquement viable est principalement déterminé par le prix de l’électricité et l’énergie nécessaire à l’électrolyse, qui sert à produire de l’hydrogène », explique M. Angenent. « Dans des conditions idéales, le prix pourrait être ramené à 4,53 dollars par kilogramme si, par exemple, la production de dioxyde de carbone n’entraînait aucun coût et si le taux de production de levure pouvait encore être augmenté. » Si le procédé en deux étapes est principalement utilisé pour assurer l’apport complet en protéines de la population, la levure doit subir un traitement thermique à des fins de purification. « Cela ferait passer le prix minimum à 14,24 dollars par kilo de levure ; à un prix de 20 dollars, l’équipement serait amorti en sept ans. »
Dans les deux modèles de production, les essais n’ont révélé aucun problème technique lié à la transposition à l’échelle industrielle. « Les produits obtenus se situeraient dans la même fourchette de prix que d’autres produits protéiques dérivés de la levure, des plantes, du lactosérum ou des algues, et pourraient probablement tenir tête à la concurrence sur le marché alimentaire », explique Angenent. Toutefois, les calculs ont également montré que, dans les procédés « power-to-protein » et « power-to-vitamin », les procédés électrochimiques de production d’hydrogène, en particulier, devraient être perfectionnés pour atteindre un meilleur rendement. « Ces procédés présentent néanmoins un grand potentiel économique à plusieurs égards. Par exemple, l’empreinte carbone de la production de protéines et de vitamines pourrait être considérablement réduite par rapport à celle issue de la production animale et végétale. »
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