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pas venu de mettre ces connaissances dans les mains des ingénieurs pour qu'ils les utilisent dans des réalisations. En créant ce nouveau mot de biotechnologie, la société lance un défi à ses scientifiques. Vous qui avez été capables d'expliquer le comment de la vie, aurez-vous assez d'imagination pour créer des systèmes de production à partir de ces êtres vivants qui possèdent des mécanismes tellement plus subtils que ceux actuellement utilisés dans nos usines ? Les programmes d'enseignement de biotechnologie mis en place dans les universités et les grandes écoles sont effectivement destinés à donner une double formation d'ingénieur et de
effectivement destinés à donner une double formation d'ingénieur et de biochimiste ou biologiste. Les étudiants ainsi formés sont susceptibles de travailler sur des projets industriels, des objectifs médicaux ou des données agronomiques. La biotechnologie est donc une volonté de concevoir globalement des enseignements qui existaient séparés et qui ne tenaient pas tellement compte de la convergence que représentent les réactions biologiques de base. Deux orientations s'offrent aux biotechnologistes : 1° Tirer un meilleur prix de la biomasse produite par la photosynthèse et les possibilités de synthèses des microorganismes ; 2° Améliorer le fonctionnement des organismes vivants par exemple en réunissant
Améliorer le fonctionnement des organismes vivants par exemple en réunissant dans une même cellule des propriétés qui étaient dispersées dans plusieurs espèces, ou en modifiant le système de régulation. Ces démarches sont susceptibles d'avoir de profondes répercussions sur des activités très traditionnelles comme l'agriculture, l'exploitation de la forêt et de la mer, la synthèse chimique, la fourniture d'énergie, ... Quelques exemples permettront de mieux évaluer le potentiel de changement représenté par la biotechnologie. ÉLABORATION DE NOUVEAUX ALIMENTS C'est un domaine où les innovations sont rares et difficilement acceptées par les consommateurs. Cependant les nouveaux aliments sont utiles pour satisfaire des
consommateurs. Cependant les nouveaux aliments sont utiles pour satisfaire des besoins diététiques apparus dans des populations qui ont très peu d'activité physique ou pour fournir des rations plus complètes aux populations sous-alimentées. La margarine, un aliment inventé par l'industrie Il est intéressant de se reporter à cet exemple vieux de 111 ans pour se convaincre que l'introduction d'un nouvel aliment demande de l'ingéniosité et de la ténacité. En 1869, Napoléon III avait perçu la nécessité d'introduire un aliment susceptible de remplacer le beurre qui avait deux graves inconvénients : son prix élevé limitait sa consommation pour les classes peu aisées
prix élevé limitait sa consommation pour les classes peu aisées ; son rancissement rapide empêchait de l'introduire dans les rations de la marine et de l'armée. Un concours ouvert sur ce sujet a permis de sélectionner un pharmacien, Mege-Mouries (1817-1880), ayant des connaissances en chimie et s'intéressant depuis longtemps à la nutrition humaine. Cet inventeur a une idée. Il a observé que les vaches laitières utilisent leurs réserves adipeuses pour synthétiser les matières grasses du lait. Il propose d'extraire la graisse du gras de bœuf et de la disperser dans du lait pour obtenir une émulsion proche du beurre. Un
du lait pour obtenir une émulsion proche du beurre. Un atelier expérimental de laiterie situé dans la ferme modèle de Vincennes va lui permettre de mettre au point cette préparation. La première usine, installée à Passy par l'inventeur, permet de réunir le matériel : presse à huile, baratte et plateaux de cristallisation. Le procédé a été amélioré en remplaçant la graisse de bœuf par des huiles végétales. Leur bas point de fusion limitait les quantités qu'on pouvait incorporer. À partir de 1910, l'hydrogénation catalytique appliquée aux huiles par Normann permet de supprimer cette limitation en fournissant des huiles à point
de supprimer cette limitation en fournissant des huiles à point de fusion plus élevé. Le produit a eu du mal à s'imposer sur le marché. Il fallait d'abord que son existence soit reconnue dans la réglementation alimentaire. La réussite technique était telle que le produit se différenciait difficilement du beurre. Il ne devait cependant pas être substitué au beurre pour que sa vente ne constitue pas une tromperie du consommateur. On a donc imposé aux fabricants d'ajouter de l'amidon à la margarine pour qu'elle puisse être facilement reconnue. La margarine s'est imposée sur le marché parce que son prix était
s'est imposée sur le marché parce que son prix était nettement inférieur à celui du beurre. Dans certains cas, elle a permis d'approvisionner la population car il était beaucoup plus facile d'augmenter la capacité de fabrication des usines que d'augmenter la production laitière. Ces dernières années sont apparues des margarines diététiques qui correspondent à des besoins nouveaux des consommateurs : consommer moins de calories, disposer d'acides gras insaturés, avoir des teneurs garanties en vitamines. Cette réussite montre qu'il y a quelquefois avantage à substituer des produits industriels à des produits purement agricoles. La production mondiale de margarine est de 4
purement agricoles. La production mondiale de margarine est de 4 millions de tonnes pour une production de beurre de 7 millions de tonnes. Le produit, qui au départ était un simple substitut du beurre, a pu évoluer mieux que le beurre pour répondre à de nouveaux besoins. Les besoins en protéines : un objectif pour la biotechnologie Alors que l'amidon, le saccharose et l'huile faisaient depuis longtemps l'objet d'industries d'extraction, les protéines étaient consommées dans les produits qui les contenaient. Les protéines les plus convenables du point de vue nutritionnel sont les protéines d'origine animale. La viande et les produits
sont les protéines d'origine animale. La viande et les produits laitiers sont riches en protéines et très recherchés par l'homme. Or l'animal ne fait que transformer des protéines végétales en protéines animales et cela avec un mauvais rendement : 6 % pour la viande de bœuf, 20 % pour la viande de volaille. Les protéines végétales, si elles sont débarassées des substances qui les diluent dans les végétaux, ne sont pas dépourvues d'intérêt nutritionnel. Elles sont parfaitement supportées par l'homme et peuvent lui être fournies en quantité importante en éliminant le gaspillage que l'animal introduit dans la transformation. Au niveau
le gaspillage que l'animal introduit dans la transformation. Au niveau mondial, les besoins en protéines augmentent pour deux raisons. Les peuples en voie de développement qui ont un régime déficient reçoivent une aide pour augmenter leur consommation en protéines. Comme le nombre d'habitants augmente rapidement dans ces pays, les besoins croissent plus vite que les ressources. Les pays développés augmentent constamment leur consommation de viande produite aux dépens de protéines végétales. Cette situation préoccupante est dénoncée depuis vingt ans par les organisations internationales. La biotechnologie est susceptible d'apporter deux solutions à ce problème : — extraire les protéines végétales ;
à ce problème : — extraire les protéines végétales ; produire des protéines d'organismes unicellulaires. Extraction des protéines végétales La technique consiste à solubiliser les protéines des végétaux par une extraction alcaline. On part de graines de pois, féverole contenant 25 % de protéines ou de tourteaux, soja, colza, tournesol contenant 50 % de protéines. Après solubilisation, les protéines sont précipitées par acidification et purifiées en répétant le traitement. On obtient alors des concentrats de protéines à 65 % ou des isolats à 90 % qui doivent être mis sous une forme consommable par l'homme. Ce dernier point est difficile,
une forme consommable par l'homme. Ce dernier point est difficile, car si les aliments riches en protéines, viande et lait, possèdent un grand pouvoir d'appétence, les protéines purifiées en sont totalement dépourvues. Les protéines peuvent être précipitées sous forme de grumeaux, extrudées, foisonnées ou filées... Ces techniques sont en cours de développement au niveau commercial. Le développement de cette industrie d'extraction des protéines ne pourra se faire qu'en améliorant les techniques décrites et qu'en l'intégrant dans une filière complète de valorisation. Les 50 à 75 % non protéiques de la matière première doivent trouver une valorisation : l'alimentation animale est
matière première doivent trouver une valorisation : l'alimentation animale est le plus souvent envisagée. Les centrifugeuses utilisées pour purifier les solutions protéiques et récupérer le précipité de protéines sont très coûteuses : d'autres techniques, flottation, sédimentation, hydrocyclones, séparation sur membranes sont en cours d'étude. Ces protéines végétales ne sont pas acceptées sans réticence par les consommateurs : positions de principe, mauvaise qualité de certaines fabrications, peur de tromperie si elles sont destinées à être mélangées à la viande, monotonie de la présentation... L'expérience acquise dans d'autres domaines a montré qu'il en a toujours été ainsi pour les innovations alimentaires. Il
en a toujours été ainsi pour les innovations alimentaires. Il n'empêche que lorsque les produits correspondent à un besoin, ils finissent par s'imposer. Protéines d'organismes unicellulaires La rapidité de synthèse des protéines par les microorganismes s'oppose à la lenteur de la production agricole de produits riches en protéines tels que la viande de bœuf. Un fermenteur de 10 m3 donne chaque jour autant de protéines que n'en produit 1 ha de pâture en un an. Le système est donc extrêmement souple et permet d'ajuster la production aux besoins à condition de disposer de matières premières suffisantes. Pendant un temps, la
de disposer de matières premières suffisantes. Pendant un temps, la culture de levures sur paraffine a paru être un procédé d'avenir à cause du bas prix de ces paraffines et de leur abondance. L'augmentation du prix du pétrole a définitivement ruiné cet espoir, entraînant la fermeture des usines déjà construites et l'abandon de deux gros projets en cours de réalisation en Italie. Le méthanol continue à être un substrat économique, puisqu'il est produit en abondance à partir du gaz naturel : ICI produit ainsi en Angleterre 60 000 t/an de Pruteen, produit à 60 % de protéines utilisé dans l'alimentation
Pruteen, produit à 60 % de protéines utilisé dans l'alimentation des animaux. Les pays de l'Est continuent à utiliser les procédés d'hydrolyse acide du bois employés pendant la dernière guerre mondiale. Les déchets de bois permettent une production de sucres à bon marché qui sont utilisés pour la culture de levures. Le maintien en fonctionnement de ces usines a permis de leur apporter des améliorations techniques substantielles. En URSS, elles permettent de produire 400 000 t/an de levures. L'utilisation directe des microorganismes dans l'alimentation humaine n'est guère envisageable, car les protéines sont accompagnées d'acides nucléiques et de substances peu digestibles.
protéines sont accompagnées d'acides nucléiques et de substances peu digestibles. On a montré cependant qu'il était possible d'en extraire les protéines et de les utiliser comme additifs dans les préparations alimentaires à cause de leur pouvoir émulsifiant. VALORISATION DES DÉCHETS LIGNOCELLULOSIQUES Les produits lignocellulosiques constituent une ressource très importante qui n'est pas entièrement utilisée. Après exploitation du bois d'œuvre et du bois de papeterie, il reste de nombreux déchets en forêt et en scierie. En outre, des forêts contenant des bois de peu de valeur ne sont pas exploitées. En France, les produits inutilisés de la forêt ont été évalués
France, les produits inutilisés de la forêt ont été évalués à 4 Mtep. L'agriculture produit aussi des déchets de même nature : pailles de céréales et oléagineux, sarments de vigne, évalués à 6 Mtep. Ces produits peuvent être brûlés, mais il paraît préférable de mieux utiliser les diverses molécules qui les composent. Trois polymères y sont associés : — les hémicelluloses, substances facilement hydrolysables formées de glucides divers ; — la cellulose, polymère fortement cristallisé dont l'hydrolyse plus difficile donne du glucose ; — la lignine, polymère polyphénolique difficilement dégradable. Les trois substances sont intimement associées et confèrent à ces
Les trois substances sont intimement associées et confèrent à ces matériaux une grande stabilité envers les réactifs chimiques, les microorganismes et leurs enzymes. Plusieurs programmes de recherches ont pour objectif de trouver des traitements peu coûteux en énergie, susceptibles de rompre les liaisons chimiques qui existent entre ces trois constituants et de les rendre ainsi accessibles aux réactifs. Les thermo-traitements, l'explosion, l'extrusion, la délignification sont sûrement efficaces. Les spécialistes de génie industriel imaginent les appareils où ces traitements pourront être appliqués dans les conditions les plus économiques. Certains microorganismes ont la faculté d'hydrolyser la cellulose, mais ils doivent pour cela
la faculté d'hydrolyser la cellulose, mais ils doivent pour cela utiliser au moins trois enzymes différentes. Il est donc possible de produire la réaction dans des conditions douces plus aisées à réaliser que celles de l'hydrolyse acide dont l'optimum de rendement est obtenu à 240 °C. La régulation de production des enzymes cellulolytiques est compliquée. Le complexe cellulase est inductible, c'est-à-dire qu'il n'est synthétisé qu'en présence de cellulose. D'autre part, le glucose et le cellobiose qui sont des produits de la réaction inhibent la formation du complexe. Il s'en suit que cette enzyme est particulièrement difficile à produire. Les microbiologistes
que cette enzyme est particulièrement difficile à produire. Les microbiologistes recherchent des souches possédant une proportion optimale des trois activités enzymatiques ou mélangent les enzymes produites par différentes cultures. Une autre voie consiste à utiliser comme inducteur un analogue de la cellulose qui ne libère pas de glucose à l'hydrolyse et n'est donc pas inhibiteur. Ces nouvelles connaissances donnent déjà des applications. C'est ainsi que le traitement hydrothermique du bois permet de l'utiliser dans l'alimentation des ruminants, puisque la cellulose est devenue digestible par les microorganismes du rumen. Une culture de la moisissure Trichoderma est capable de transformer de vieux
de la moisissure Trichoderma est capable de transformer de vieux papiers en solution de glucose. Ces procédés sont effectivement entre les mains des ingénieurs sous forme d'installations pilotes. La décision de faire les investissements dans ces nouveaux procédés n'a pas encore été prise parce que l'avantage financier n'est pas indiscutable. Il faut souligner cependant que, compte tenu de l'évolution des prix actuels, ces procédés sont de plus en plus attractifs. Ce n'est pas par hasard que de grandes sociétés opérant dans l'industrie du papier ou du pétrole s'y intéressent. EPURATION ET BIOLOGIE L'existence de cycles biologiques établis depuis longtemps à
ET BIOLOGIE L'existence de cycles biologiques établis depuis longtemps à la surface de notre planète permet le recyclage des divers composés chimiques, carbone organique, composés azotés, soufre, phosphates... Les microorganismes interviennent dans la partie du cycle qui conduit aux formes les plus stables qui sont des formes minérales. La connaissance des divers mécanismes biologiques qui se déroulent traditionnellement dans les eaux et dans le sol a permis de les appliquer pour épurer les produits de l'activité humaine, industrielle, agricole ou domestique. La concentration de la pollution autour de certains sites, industrie chimique, papeterie, élevage, nécessite la création d'un biotope artificiel
industrie chimique, papeterie, élevage, nécessite la création d'un biotope artificiel où les réactions naturelles sont accélérées et adaptées au milieu à épurer. Ces traitements font intervenir des flores complexes qui sont en équilibre. Contrairement à ce qui se passe dans les fermentations il ne paraît guère possible d'introduire des souches sélectionnées pour améliorer le procédé. On est obligé d'agir sur les conditions du milieu pour favoriser l'association la plus performante. La flore aérobie oxyde la matière organique en gaz carbonique et en eau. Elle nécessite la fourniture de grande quantité d'oxygène ce qui implique une dépense d'énergie importante, environ 1
d'oxygène ce qui implique une dépense d'énergie importante, environ 1 kWh par kg de matière oxydée. Cette technique appelée épuration par boues activées est actuellement maîtrisée aussi bien pour les eaux urbaines que pour les eaux industrielles. Elle ne permet pas cependant de traiter des effluents trop chargés à moins de les diluer au préalable. Lorsque les effluents sont traités en anaérobiose, la matière organique est transformée en gaz carbonique et méthane. Le procédé permet donc de récupérer de l'énergie et d'économiser l'énergie nécessaire pour dissoudre l'oxygène. On peut, en outre, traiter des effluents concentrés tels que le lisier de
outre, traiter des effluents concentrés tels que le lisier de porcherie. C'est donc un procédé plein d'avenir dans une optique d'économie de l'énergie. L'utilisation industrielle de ce procédé est beaucoup moins avancée que celle des boues activées. Les digesteurs en béton sont chers et on voudrait leur substituer des poches en plastique partiellement enfouies dans le sol. La transformation est lente et, bien que la réaction soit exothermique, il faut chauffer le réacteur en utilisant une partie du méthane produit. Des essais sont actuellement entrepris pour utiliser les calories de bas niveau des usines au réchauffement de ces digesteurs. Les
bas niveau des usines au réchauffement de ces digesteurs. Les propriétés des microorganismes peuvent être utilisées dans d'autres processus d'épuration. Avec des bactéries dénitrifiantes, on élimine les nitrates présents dans les rejets urbains. Un procédé microbiologique permet de concentrer les phosphates dans des bactéries et d'éviter qu'ils ne s'échappent dans les rivières où ils favorisent une prolifération exagérée des mousses et des algues. Des eaux de mines contenant du thorium peuvent être épurées en le fixant sur des cellules de champignons. Les microorganismes domestiqués contribuent donc largement à rendre notre environnement plus salubre et plus agréable. CONCLUSION L'homme ne survit
environnement plus salubre et plus agréable. CONCLUSION L'homme ne survit que grâce aux êtres vivants qui l'entourent. Il est donc obligé de les respecter en limitant la pollution qu'il engendre. Il peut aussi les utiliser à son profit pour sa nourriture, la production de matière première et celle d'énergie. Pour cela, il a besoin d'une nouvelle catégorie d'ingénieurs qui doivent connaître les techniques de l'ingénierie et les sciences de la vie. Jusqu'ici nous avons eu surtout des biotechnologues, théoriciens ou chercheurs persuadés de l'intérêt d'une utilisation plus complète de la photosynthèse et des fermentations microbiennes. Maintenant les avantages industriels se
photosynthèse et des fermentations microbiennes. Maintenant les avantages industriels se précisent, le point de rentabilité devient très proche et on a besoin de praticiens biotechnologistes pour réaliser ces installations. RESSOURCES FRANÇAISES EN BIOMASSE La forêt occupe 14,5 millions d'hectares. Elle produit en moyenne 8 tonnes de biomasse sèche par hectare et par an. Les taillis 4 à 5 millions d'hectares sont peu exploités. Les futaies ne valorisent pas les coupes d'éclaircie destinées à favoriser la production de bois d'œuvre de qualité. Lors des exploitations des futaies, il reste des déchets non utilisés : branches, écorces, déchets des scieries et menuiseries.
non utilisés : branches, écorces, déchets des scieries et menuiseries. La valeur énergétique de ces productions est estimée à 3-4,5 millions de tonnes d'équivalent-pétrole. Les déchets agricoles — Les pailles de céréales et d'oléagineux représentent 26 millions de tonnes de matière sèche réparties sur 10 millions d'hectares. — Les sarments de vigne et bois de taille représentent 3,5 millions de tonnes répartis sur 1,5 million d'hectares. — L'élevage entraîne 16 millions de tonnes de déjections animales. CULTURES ENERGETIQUES Une partie de l'agriculture pourrait être orientée en vue de satisfaire les besoins énergétiques. Les études portent sur les cultures suivantes susceptibles
besoins énergétiques. Les études portent sur les cultures suivantes susceptibles de développement en France. Betterave : Sélection de nouvelles variétés pour le rendement optimum en sucre fermentescible, en vue de la production d'éthanol. Topinambour : Installer cette culture qui s'accommode de terrains peu fertiles et est susceptible de produire 40 hl/ha d'alcool. Euphorbes : Extraire des hydrocarbures de la biomasse. Euphorbia characias, dans la zone méditerranéenne, produit une biomasse à 25 % d'hydrocarbure. Jacinthe d'eau : Se développe très rapidement dans les eaux chaudes avec des croissances journalières de l'ordre de 200 kg/ha de matière sèche. Essais de culture. Canne
de 200 kg/ha de matière sèche. Essais de culture. Canne de Provence : Elle a une production annuelle de 20 t/ha de matière sèche dans la région méditerranéenne. Évaluation économique de la culture. Maïs et sorgho : Ces deux plantes fournissent de l'amidon à faible coût qui peut alimenter les industries de fermentation. Pas d'essais spéciaux en France. Taillis à courte rotation : Production de matériaux lignocellulosique par un système de culture peu exigeant. Essais en vraie grandeur. Biotechnologie et végétaux supérieurs Consultation sur place par Claude MARTIN • directeur de recherches à l’Institut national de la recherche agronomique (INRA)
de recherches à l’Institut national de la recherche agronomique (INRA) La découverte, il y a quarante-cinq ans, de la possibilité de faire proliférer dans un tube à essai des cellules végétales et la mise au point il y a trente ans de la culture de méristèmes sont à l’origine de biotechnologies utilisant les végétaux supérieurs. Ces nouvelles techniques ont déjà aujourd’hui ou auront demain des champs d’application dans des domaines très divers : — production contrôlée et économique de molécules importantes de la pharmacopée moderne : agents antitumoraux, cardio-régulateurs, ... — biosynthèse de molécules nouvelles d'intérêt pharmaceutique, alimentaire ou encore
— biosynthèse de molécules nouvelles d'intérêt pharmaceutique, alimentaire ou encore inconnu ; — création de nouvelles variétés et même de nouvelles espèces végétales ; — amplification considérable de la multiplication des végétaux supérieurs qui sont des éléments indispensables à l'alimentation, la santé, le confort et la joie de vivre de l'homme. Non, non, non, mille fois non ; il n’y a pas de sciences qui méritent le nom de sciences appliquées : il y a la Science, et les applications de la Science, liées entre elles comme le fruit à l’arbre qui l’a porté. Louis PASTEUR. La découverte de la
l’arbre qui l’a porté. Louis PASTEUR. La découverte de la possibilité de cultiver indéfiniment des cellules et tissus végétaux in vitro, entre 1935 et 1937, par R.I. Gautheret [1], [2], actuel président de l’Académie des sciences, est à l’origine du formidable développement de ce que l’on appelle aujourd’hui la biotechnologie des végétaux supérieurs : en partant de quelques cellules spécialisées, celles génératrices du bois, Gautheret réussit à l’époque à obtenir leur multiplication dans un tube de culture, sur un milieu gélosé renfermant éléments minéraux, sucres, vitamines, hormones ; repiquées régulièrement depuis, lorsque le tube est envahi et le milieu de