Brevet FR3063657A1 — publié le 20180914

BILLES ALVÉOLAIRES DE SILICE, PROCÉDÉ DE PRÉPARATION, UTILISATION COMME BIOCATALYSEURS, PROCÉDÉ DE BIOCATALYSE METTANT EN OEUVRE LESDITES BILLES, AUTRES UTILISATIONS L'invention concerne une bille alvéolaire de silice comprenant un coeur 5 contenant une mousse de silice à porosité hiérarchisée et des microorganismes dotés d'une activité catalytique (e.g. bactéries) dispersés dans ladite mousse, et une enveloppe poreuse solide de silice entourant ledit coeur, son procédé de préparation, l'utilisation de ladite bille comme biocatalyseur hétérogène, un procédé de biocatalyse mettant en oeuvre ladite 10 au moins une bille, un système catalytique comprenant des billes ayant des microorganismes différents, et les utilisations de ladite bille pour la production d'énergie, la réduction de contaminants et la production de protéines recombinantes. L'invention s'applique typiquement, mais non exclusivement au 15 domaine des biotechnologies, en particulier à l'utilisation de supports immobilisant des microorganismes (levures, bactéries, champignons microscopiques, algues), des cellules animales ou végétales, à titre de biocatalyseurs. Il est notamment connu d'encapsuler des bactéries dans des 20 polymères organiques, des matériaux inorganiques ou des matériaux hybrides organiques-inorganiques. À titre d'exemples de matériaux inorganiques, on peut citer les gels de silice, et notamment ceux décrits dans Coiffier et al. [J. Mater. Chem., 2001, 8, 2039-2044]. Toutefois, le volume libre autour des bactéries encapsulées 25 dans ces gels est insuffisant pour leur permettre de se diviser et de proliférer. Par ailleurs, les gels de silice sont connus pour posséder des propriétés mécaniques insuffisantes. Afin de remédier à ces problèmes, Depardieu et al. [J. Mater. Chem. B, 2016, 4, 2290-2303] ont décrit l'encapsulation et la prolifération de bactéries 30 dans une mousse de silice obtenue par méthodologie polyHIPE (High Internai Phase Emulsion). Toutefois, bien que ces mousses permettent la colonisation 3063657 2 de bactéries, elles ne sont pas adaptées pour permettre leur confinement. En particulier, les bactéries encapsulées dans la mousse se diffusent à l'extérieur de ladite mousse, la rendant difficilement utilisable comme support biocatalytique pouvant notamment être recyclé. Par ailleurs, la demande internationale W02014/206819 a décrit un matériau hybride organique-inorganique sous la forme de billes millimétriques contenant un coeur poreux de silice et d'alginate et une enveloppe poreuse contenant de la silice et un polymère organique polycationique tel que le chlorure de poly(diallyldiméthylammonium). Ces billes peuvent contenir des entités d'origine biologique. La demande internationale W02014/206819 a décrit également l'utilisation de ces billes encapsulant une microalgue pour produire de l'oxygène par voie photochimique. Ces billes peuvent être endommagées et/ou ne pas être adaptées pour pouvoir maintenir une croissance continue des entités d'origine biologique au sein des billes, selon le type d'entité utilisé. En particulier, les bactéries peuvent dégrader l'alginate des billes et/ou avoir une croissance limitée compte tenu de l'élasticité de l'alginate. Le but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients précités, et notamment de fournir un matériau qui puisse être 20 utilisé comme biocatalyseur et qui présente de bonnes performances catalytiques en termes d'efficacité et de recyclage. L'invention a donc pour premier objet une bille alvéolaire de silice caractérisée en ce qu'elle comprend : - un coeur contenant une mousse de silice à porosité hiérarchisée et 25 des microorganismes dispersés dans ladite mousse, et - une enveloppe poreuse solide de silice entourant ledit coeur, lesdits microorganismes étant dotés d'une activité catalytique. L'activité catalytique d'un microorganisme est la propriété mesurée par l'accroissement du taux de conversion (i.e. la vitesse de la réaction multipliée 30 par le volume) d'une réaction chimique donnée catalysée par le microorganisme. 3063657 3 Dans un mode de réalisation, la mousse de silice représente une matrice inorganique constituée par un oxyde de silicium ou un oxyde mixte de silicium et d'au moins un métal M choisi parmi Ti, Zr, Th, Sn, B, Nb, Ta, Al, V et W. 5 Dans la présente invention, l'expression « mousse de silice à porosité hiérarchisée » signifie que la mousse de silice comprend des macropores (diamètre supérieur à environ 50 nm), des mésopores (diamètre compris entre 2 et 50 nm environ (bornes incluses)) et des micropores (diamètre inférieur à environ 2 nm). 10 Selon une forme de réalisation de l'invention, la mousse de silice comprend de préférence des macropores ayant une dimension moyenne dA de 0,5 pm à 100 pm, et de préférence de 1 pm à 60 pm, des mésopores ayant une dimension moyenne dE de 2 à 50 nm, et de préférence de 20 à 50 Â, et des micropores ayant une dimension moyenne di de 5 à 15 Â, et de préférence 15 de 7 à 10 Â, lesdits pores étant interconnectés. Les macropores peuvent être identifiés par microscopie électronique à balayage (MEB) et quantifiés par des mesures d'intrusion mercure. La mésoporosité peut être identifiée par microscopie électronique à balayage (MEB). La texture vermiculaire de la mésoporosité peut être identifiée par diffraction des rayons X (RX), cette technique servant également à quantifier la distance de pore à pore. La mésoporosité et la microporosité peuvent être quantifiées et ségrégées par une technique d'adsorption-désorption d'azote dont le dépouillement se fait par la méthode de calcul B.E.T. (globalisant mésoporosité et microporosité) et par la méthode de calcul B.J.H. selon laquelle la ségrégation entre microporosité et mésoporosité devient effective. Les microorganismes encapsulés dans la bille alvéolaire de silice peuvent être choisis parmi des bactéries, des levures, des microalgues, des virus, des spores et des champignons, et de préférence parmi les bactéries. Les microorganismes, et en particulier les bactéries, peuvent passer de pore en pore par les interconnexions et développer des colonies au sein de la 3063657 4 mousse de silice. De préférence, au niveau local, les microorganismes prennent place sur les parois des pores et grossissent jusqu'à emplir tout l'espace disponible dans la porosité. Les microorganismes peuvent rester confinés dans la mousse pendant 5 au moins 2 semaines. Ils peuvent également proliférer/coloniser sans perdre leur activité catalytique. L'enveloppe poreuse solide de silice est donc adaptée pour éviter la diffusion des microorganismes à l'extérieur des billes, tout en étant suffisamment perméable pour permettre une activité catalytique. La bille alvéolaire de silice telle que définie dans l'invention, et en 10 particulier les microorganismes contenus dans la bille, peut catalyser des réactions chimiques en phase liquide. À titre d'exemples de bactéries, on peut citer les bactéries E. Coli dotées d'une activité catalytique, en particulier celles surexprimant la Lasparaginase ou l'aspartate oxydase ou les cyanobactéries dotées d'une 15 activité catalytique. L'épaisseur de l'enveloppe poreuse solide de silice est de préférence comprise entre 2 et 12 pm environ, et de préférence encore comprise entre 5 et 10 pm environ (bornes incluses). L'enveloppe poreuse solide de silice présente une surface spécifique 20 par la méthode BET allant de 60 à 70 m2/g environ. L'enveloppe poreuse solide de silice comprend des mésopores, notamment de dimension moyenne comprise entre 2 et 20 nm environ, et de préférence de dimension moyenne comprise entre 2 et 10 nm environ (bornes incluses). 25 La bille alvéolaire de silice est de préférence sphérique (empreinte de la forme des gouttes qui leur ont servi de moule : cf. procédé décrit ci-après). Elle présente généralement un diamètre moyen compris entre 1 et 6 mm environ, et de préférence encore compris entre 1 et 2 mm environ (bornes incluses). 3063657 5 L'invention a pour deuxième objet un procédé de préparation de billes de silice alvéolaires conformes au premier objet de l'invention (combinant la chimie sol-gel et une émulsion concentrée), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 5 i) on prépare une solution aqueuse acide contenant un tensioactif TAi et au moins un alcoxyde de silicium précurseur de l'oxyde de silicium formant la mousse de silice, ii) on prépare une émulsion en introduisant une première phase huileuse dans la solution aqueuse acide de l'étape i) ; 10 iii) on ajoute goutte à goutte l'émulsion de l'étape ii) dans une deuxième phase huileuse et le mélange résultant est laissé à température ambiante pendant au moins 24h pour former une mousse de silice à porosité hiérarchisée sous la forme de billes, iv) on lave les billes, 15 y) on calcine les billes, vi) on incube des microorganismes dotés d'une activité catalytique dans les billes de l'étape y) et on les colonise pour former un coeur en mousse de silice à porosité hiérarchisée dans laquelle les microorganismes dotés d'une activité catalytique sont dispersés, et 20 vii) on forme une enveloppe poreuse solide de silice entourant ledit coeur. La solution aqueuse acide de précurseur de l'oxyde de silicium de l'étape i) contient au moins un alcoxyde de silicium précurseur de l'oxyde de silicium. Lorsque la mousse de silice représente une matrice inorganique 25 constituée par un oxyde mixte de silicium, on utilise un mélange de précurseurs parmi lesquels au moins l'un est un alcoxyde de silicium précurseur de l'oxyde de silicium et l'autre est un alcoxyde ou un non alcoxyde d'un métal M tel que défini dans l'invention. Comme exemples d'alcoxydes de silicium, on peut citer les composés 30 R',-,(0R)m_,-,Si dans lesquels Si a la valence m, 0 n REVENDICATIONS1. Bille alvéolaire de silice, caractérisée en ce qu'elle comprend : - un coeur contenant une mousse de silice à porosité hiérarchisée et des microorganismes dispersés dans ladite mousse, et - une enveloppe poreuse solide de silice entourant ledit coeur, lesdits microorganismes étant dotés d'une activité catalytique. 2. Bille selon la revendication 1, caractérisée en ce que la mousse de silice comprend des macropores ayant une dimension moyenne dA de 0,5 pm à 100 pm, des mésopores ayant une dimension moyenne dE de 2 à 50 nm, et des micropores ayant une dimension moyenne dl de 5 à 15 Â, lesdits pores étant interconnectés. 3. Bille selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les microorganismes encapsulés dans ladite bille alvéolaire de silice sont choisis parmi des bactéries, des levures, des microalgues, des spores, des virus et 15 des champignons. 4. Bille selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'épaisseur de l'enveloppe poreuse solide de silice est comprise entre 2 et 12 pm. 5. Bille selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 caractérisée en ce qu'elle présente un diamètre moyen compris entre 1 et 6 mm. 6. Procédé de préparation de billes telles que définies à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 25 i) on prépare une solution aqueuse acide contenant un tensioactif TA1 et au moins un alcoxyde de silicium précurseur de l'oxyde de silicium formant la mousse de silice, ii) on prépare une émulsion en introduisant une première phase huileuse dans la solution aqueuse acide de l'étape i) ; 3063657 31 iii) on ajoute goutte à goutte l'émulsion de l'étape ii) dans une deuxième phase huileuse et le mélange résultant est laissé à température ambiante pendant au moins 24h pour former une mousse de silice à porosité hiérarchisée sous la forme de billes, 5 iv) on lave les billes, y) on calcine les billes, vi) on incube des microorganismes dotés d'une activité catalytique dans les billes de l'étape y) et on les colonise pour former un coeur en mousse de silice à porosité hiérarchisée dans laquelle les microorganismes dotés d'une 10 activité catalytique sont dispersés, et vii) on forme une enveloppe poreuse solide de silice entourant ledit coeur. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la proportion massique d'émulsion dans la deuxième phase huileuse lors de l'étape iii) varie 15 de 1% à 50% en masse, par rapport à la masse de la deuxième phase huileuse. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la deuxième phase huileuse a une viscosité d'au moins 350 cSt. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé 20 en ce que l'enveloppe poreuse est obtenue par mise en contact des billes de l'étape vi) avec une solution à pH neutre comprenant au moins un silicate alcalin ou des particules solides colloïdales de silice. 10. Utilisation d'au moins une bille alvéolaire de silice telle que définie à l'une quelconque des revendications 1 à 5 ou obtenue selon le procédé tel 25 que défini à l'une quelconque des revendications 6 à 9, comme biocatalyseur hétérogène. 11. Procédé de biocatalyse, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une étape A) de mise en contact d'un substrat S1 avec au moins une bille alvéolaire de silice telle que définie à l'une quelconque des revendications 1 à 3063657 32 5 ou obtenue selon le procédé tel que défini à l'une quelconque des revendications 6 à 9, afin de transformer le substrat S1 en produit P1. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le substrat 51 est la L-asparagine, les microorganismes M1 de la bille sont des bactéries E. 5 Co/i surexprimant la L-asparaginase et le produit P1 est l'aspartate. 13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le substrat S1 est l'aspartate, les microorganismes M1 sont des bactéries E. Coli surexprimant l'aspartate oxydase et le produit P1 est l'oxaloacétate. 14. Système catalytique comprenant au moins une première bille telle 10 que définie à l'une quelconque des revendications 1 à 5 ou obtenue selon le procédé tel que défini à l'une quelconque des revendications 6 à 9 ; et au moins une deuxième bille telle que définie à l'une quelconque des revendications 1 à 5 ou obtenue selon le procédé tel que défini à l'une quelconque des revendications 6 à 9, ladite première bille comprenant des microorganismes M1 dotés d'une activité catalytique et ladite deuxième bille comprenant des microorganismes M2 dotés d'une activité catalytique, lesdits microorganismes M1 et M2 étant différents. 15. Système catalytique selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend une bille telle que définie à l'une quelconque des revendications 1 à 5 ou obtenue selon le procédé tel que défini à l'une quelconque des revendications 6 à 9, ladite bille comprenant des bactéries E. Coli surexprimant la L-asparaginase et deux ou trois billes telles que définies à l'une quelconque des revendications 1 à 5 ou obtenues selon le procédé tel que défini à l'une quelconque des revendications 6 à 9, lesdites billes comprenant des bactéries E. Coli surexprimant l'aspartate oxydase. 16. Utilisation d'au moins une bille telle que définie à l'une quelconque des revendications 1 à 5 ou obtenue selon le procédé tel que défini à l'une quelconque des revendications 6 à 9, pour la production d'énergie. 17. Utilisation d'au moins une bille telle que définie à l'une quelconque 30 des revendications 1 à 5 ou obtenue selon le procédé tel que défini à l'une quelconque des revendications 6 à 9, pour la réduction de contaminants. 3063657 33 18. Utilisation d'au moins une bille telle que définie à l'une quelconque des revendications 1 à 5 ou obtenue selon le procédé tel que défini à l'une quelconque des revendications 6 à 9, pour la production de protéines recombinantes.