Enterobacter sakazakii et la fermentation du 2,3-butanediol: enjeux, voies métaboliques et applications

2,3-butanediol (2,3-BDO) est un produit chimique de plateforme issu de la biomasse, avec de multiples applications industrielles. La conversion biologique de sources de carbone renouvelables par des bactéries ou des levures constitue une voie durable pour la production de 2,3-BDO. Diverses sources de carbone ont été utilisées pour la production de 2,3-BDO, et la concentration de 2,3-BDO dans le broth de fermentation peut dépasser 150 g/L par l’optimisation des paramètres opérationnels avec des procédés en fed-batch.

Contexte et enjeux énergétiques

En raison de l’épuisement des ressources pétrolières, des besoins énergétiques croissants et des préoccupations sur les émissions de CO2, les efforts pour convertir la fabrication chimique pétrolière en une production neutre en carbone à partir de ressources renouvelables gagnent en importance. Le biorefinage utilisant des biomasses comme matières premières est activement poursuivi comme stratégie durable non seulement pour produire des carburants mais aussi pour obtenir divers produits chimiques de valeur. 2,3-butanediol est une chimie C4 représentative pouvant être produite à partir de ressources biomassiles par des voies biologiques, et présente des bénéfices environnementaux évidents par rapport aux procédés pétrochimiques.

Voies de biosynthèse et voies métaboliques associées

La biosynthèse de 2,3-BDO est généralement considérée comme une voie de fermentation à acides mixte, accompagnée de la formation de divers co-produit selon les stratégies de fermentation et les microorganismes utilisés. Le pyruvate est l’intermédiaire clé qui peut être converti soit en lactate, soit en α-acéto-lactate via l’ALS, soit vers l’acetoin puis 2,3-BDO par les enzymes BDH/AR. Trois étapes enzymatiques majeures régissent la production de 2,3-BDO : α-acéto-lactate synthase (ALS), α‑acéto-lactate décaboxylase (α‑ALD) et 2,3‑BDO déshydrogénase ou réductase d’acétoïne (BDH, AR).

Dans la plupart des microorganismes, la conversion du pyruvate en 2,3-BDO passe par la formation d’acétoïne et sa réduction par BDH, avec potentialités de formation d’autres acides comme lactate, formiate, acetate, ou succinate selon le pH et l’oxygénation. Des stratégies de génie génétique et d’optimisation des paramètres de fermentation ont été explorées pour favoriser l’accumulation de 2,3-BDO et réduire les by-products.

Les trois isomères du 2,3-BDO (D-, L- et meso) peuvent être générés par des BDH spécifiques et des mécanismes de racémisation; les études sur les mécanismes de formation des isomères chez Klebsiella et d’autres espèces ont montré une grande complexité enzymopathologique et l’existence de plusieurs BDH et éventuellement de racémases, selon les conditions et les strains.

Microorganismes et choix opérationnels

Plusieurs espèces microbiennes peuvent produire le 2,3-BDO à partir du pyruvate, notamment des bactéries comme Klebsiella pneumoniae, K. oxytoca, Enterobacter aerogenes, Paenibacillus polymyxa et Serratia marcescens. Cependant, pour l’industrialisation, les bactéries restent les plus prometteuses en raison de leur productivité et de leur capacité à croître sur une large gamme de substrats, y compris la lignocellulose, les déchets agricoles et les glycérols. Des stratégies de suppression des co-produits (lactate, éthanol, acétate) et d’optimisation des voies de biosynthèse ont permis d’obtenir des rendements et des productivités élevées dans certains cas, avec des bioprocédés en fermentation en batch ou fed-batch.

Des exemples notables incluent l’amélioration de la production de 2,3-BDO par K. oxytoca par surpression ou overexpression de gènes tels que budC, conduisant à des productions significatives et une réduction des niveaux d’acétoïne et d’autres co-produits. D’autres souches comme E. aerogenes, S. cerevisiae et B. amyloliquefaciens ont été explorées comme hôtes potentiels pour réorienter le flux métabolique vers 2,3-BDO sous des conditions contrôlées.

Substrats, coût et durabilité

Malgré les avancées en génie métabolique, la production commerciale de 2,3-BDO à partir de sucres raffinés demeure coûteuse. Le coût des sucres commerciaux représente souvent une part importante du coût total. Ainsi, des substrats peu coûteux et abondants, tels que les hydrolysats de starches, de maïs, de Jerusalem artichoke, de lactosérum, de mélasse et de glycérol brut issu de l’industrie biodiesel, suscitent un grand intérêt pour la production de 2,3-BDO. Les procédés impliquent généralement trois étapes clés: (1) prétraitement du biomasse pour libérer les polysaccharides, (2) hydrolyse et action des enzymes carbohydrases pour obtenir des monosaccharides, et (3) fermentation des monosaccharides en 2,3-BDO.

Les sources lignocellulosiques nécessitent des étapes de prétraitement et des traitements enzymatiques pour libérer les sucres, suivies d’une fermentation des monosaccharides vers le 2,3-BDO. La récupération et la purification en fin de procédé constituent les défis économiques majeurs, plus souvent que l’efficacité de la fermentation elle-même. Le coût de récupération à partir du broth de fermentation peut devenir l’obstacle économique dominant à l’échelle industrielle.

Rôle et sécurité d’Enterobacter sakazakii

Enterobacter sakazakii est une bactérie à Gram négatif, appartenant au genre Cronobacter, qui préfère les environnements chauds et humides mais peut survivre en conditions de faible humidité. Cronobacter spp. peut provoquer divers problèmes de santé chez l’homme et constitue un danger potentiel pour la sécurité alimentaire, notamment dans le lait infantile en poudre et les produits secs. La contamination peut survenir via l’eau non stérile, des pratiques d’hygiène inadéquates, un stockage inapproprié ou des méthodes de préparation incorrectes.

Dans le cadre du procédé microbiologique de production de 2,3-BDO, il est crucial de séparer et éliminer les pathogènes potentiels et de sécuriser les matières premières et les effluents, afin d’éviter toute contamination croisée et assurer la sécurité des produits finaux. Des analyses de risques et des mesures de contrôle sont mises en œuvre par les laboratoires spécialisés, ce qui peut inclure des évaluations spécifiques pour Enterobacter sakazakii et Cronobacter spp. dans les aliments et les environnements de production.

Éléments pratiques du processus et purification

Le processus de fermentation se termine par des étapes de récupération et purification du 2,3-BDO, comprenant généralement l’élimination des cellules et des protéines par filtration ou centrifugation, suivi d’élimination des impuretés par évaporation, électrodialyse, précipitation à l’alcool ou extraction par solvant. La séparation efficace du 2,3-BDO est cruciale pour l’efficience économique du procédé, et les coûts de récupération peuvent surpasser les coûts de fermentation elle-même.

Tableau récapitulatif des substrats et des performances

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