Sujets de recherche
Les domaines d’étude de l’EUR BioEco sont :
Lien 1 - Économie et éthique
La conception et la régulation des marchés de la bioéconomie sont au cœur de ce domaine d’étude. Les nouvelles technologies ne se développeront que si une adéquation efficace entre l’offre et la demande de produits biologiques peut être réalisée grâce à des marchés conçus, tandis que les dimensions sociales et environnementales des biens échangés exigent des politiques publiques (et des réglementations) fortes. La recherche sera orientée vers le développement de différents modèles et outils quantitatifs. Les interactions avec d’autres modules seront systématiques et élaborées à six niveaux distincts :
1 – Économie de la chaîne :
Réduire l’incertitude quant à la compétitivité des technologies proposées, dans le contexte des bioraffineries produisant divers produits finaux à partir de matières premières diverses, est un défi majeur. Les outils reliant les modèles biologiques et les modèles de coûts économiques seront développés (avec les liens 4 et 5). Nous analyserons également la valeur finale des bioproduits intégrant la concurrence aux produits standard, ainsi que toute valeur supplémentaire liée à leurs caractéristiques spécifiques. Enfin, nous étudierons également la question du partage de la valeur au sein de la chaîne.
2 – Impacts sur les marchés :
Les marchés agricoles et alimentaires seront fortement impactés par le développement de bioproduits. Quelle que soit la matière première utilisée (lien 2) pour produire des bioproduits, il y aura des problèmes de concurrence concernant l’utilisation de la biomasse. Cependant, le développement de la bioraffinerie provoquera probablement une interdépendance accrue des différentes industries alimentaires et améliorera considérablement l’utilisation de divers sous-produits. Des outils reliant les différentes industries alimentaires de l’économie sont nécessaires plutôt que de développer une analyse sectorielle des industries spécifiques. Ces modèles, qui doivent intégrer les impacts environnementaux (lien 6) dépendent de la concurrence pour les ressources en raison de la modification de l’utilisation des terres ou des coproduits.
3 – Politiques publiques :
Les politiques publiques affectent la viabilité/le développement de la bioéconomie. Les questions clés concernent leur conception, les interactions entre les différentes politiques ainsi que leur attrait économique. Il faut des modèles capables de prévoir les nombreux, difficiles à évaluer et souvent contradictoires, impacts des grands projets sur l’économie, y compris l’impact territorial et les conséquences de la spécialisation émergente liée à la disponibilité des matières premières, à l’existence d’unités de transformation et aux industries et consommateurs utilisateurs.
4 – Moteurs à long terme :
Les trajectoires possibles et les différents moteurs (transition, croissance économique mondiale, évolution des systèmes agricoles, évolution des habitudes alimentaires, démographie) influençant la transition vers une bioéconomie seront caractérisés combinant les modèles basés sur une approche quantitative, notamment au moyen de modèles d’évaluation intégrés, avec des analyses conceptuelles et des approches de scénarios aux niveaux mondial, sectoriel et local. De solides collaborations seront développées avec les liens 5 et 6 pour intégrer les questions environnementales et les modèles multidisciplinaires aux méthodologies économiques.
5 – Comprendre le rôle de l’innovation et de la R&D :
La croissance d’une bioéconomie repose sur une innovation de la R&D correctement synchronisée. La portée de l’innovation va au-delà des protocoles d’ingénierie et comprend l’innovation en matière de gestion sociétale et organisationnelle. L’expertise de TSE en économie et dans l’analyse des interactions stratégiques entre les acteurs de la R&D industrielle servira à évaluer les enjeux cruciaux : portée et rôle des droits de propriété intellectuelle, rôle des normes et des règles, réglementation de la concurrence. À une échelle macro, les interactions entre la dynamique économique, le processus de bio-transition et les tendances de la R&D seront étudiées.
6 – Éthique :
La bioéconomie implique une nouvelle approche de la vie par la possibilité de construire des caractéristiques de novo pour les micro-organismes. Elle questionne fortement la définition de la vie et a conduit à de nouvelles questions éthiques puisque la frontière entre le vivant et les machines artificielles pourrait modifier l’approche philosophique et sociale à la fois des objets techniques et des êtres vivants. Un comité d’éthique sera mis sur pied pour surveiller cet aspect.
Lien 2 - Ressources et fractionnement
Ce module déterminera, dans un contexte d’agriculture durable, les meilleures ressources renouvelables disponibles pour de nouvelles applications industrielles et les exigences de production facilitant l’efficacité avant la transformation à l’aide d’enzymes ou de micro-organismes (lien 3). Pour y parvenir de manière rentable et durable, des données quantitatives sur les caractéristiques et la composition des ressources renouvelables, leurs besoins de production à long terme et leur évolution pendant les prétraitements sont nécessaires. Pour parvenir à une telle base de données, les trois sujets suivants seront abordés.
1 – Caractérisation de la biomasse :
La biomasse utilisée pour la biotransformation devrait répondre à des critères concernant sa composition et sa structure. Pour obtenir cette information avec les détails de la distribution spatiale moléculaire dépendante du temps permettant de prévoir et d’exploiter la bio-transformabilité, l’effort est essentiel dans le développement de nouvelles méthodes analytiques (Raman, fluor métrique, etc.) ainsi que des méthodes plus classiques pour accéder à la distribution quantitative des molécules cibles (liens 3 et 4). Ces données devraient être consolidées par des analyses microscopiques de confirmation permettant de comprendre et de modéliser cette distribution.
2 – Production et prétraitement des bioressources :
L’exploitation durable des bioressources dépend fortement du maintien de la fertilité des sols, ce qui nécessite une maîtrise importante de la teneur en carbone organique. Comprendre la meilleure façon d’optimiser ces objectifs contradictoires est un facteur clé de la capacité à long terme de soutenir une importante activité de bioraffinerie. Les méthodes agricoles et les variétés végétales nécessitant des introns minimaux (eau, engrais, etc.) doivent être identifiées et démontrées compatibles avec l’optimisation multicritères de l’utilisation des terres, y compris les approches agroécologiques pour restituer le carbone au sol et l’évaluation environnementale (voir lien 6). Compte tenu de la composition de la biomasse, la durabilité des sols et les molécules cibles du produit final (lien 3) seront proposées pour un développement innovant et cohérent de l’agriculture. Les cultures consacrées (comme les microalgues ou les plantes vertes) et la valorisation des sous-produits seront évaluées dans le cadre d’une solution globale en boucle fermée. Les stratégies de prétraitement de la biomasse seront optimisées pour faciliter la biotransformation de la manière la plus économique, en intégrant un transfert de masse amélioré, pour augmenter la récupération de la concentration de la molécule cible ou pour éliminer les inhibiteurs potentiels, tout en maintenant la biomasse de base sous une forme appropriée pour une transformation ultérieure, conformément aux principes de la chimie verte.
3 – Base de données :
Des outils de prise de décision intégrant la meilleure façon de traiter des installations et des déchets spécifiques dans le cadre d’objectifs industriels définis seront mis au point, intégrant les données sur la composition structurelle et les changements liés aux processus, compatibles avec l’analyse du cycle de vie.
Lien 3 : Développement de la biotransformation naturelle et synthétique
Les progrès dans les systèmes et la biologie synthétique, la biophysique, la bio-informatique et la biomathématique offrent des occasions sans précédent d’accélérer la mise au point de nouveaux biocatalyseurs naturels ou synthétiques perfectionnés.
1 – Exploration de la diversité naturelle et artificielle des nouvelles enzymes :
Les enzymes sont largement utilisées dans l’industrie comme catalyseurs biologiques naturels capables d’accélérer considérablement les réactions de biotransformation. Cependant, seule une faible proportion des enzymes connues est actuellement exploitée, laissant un immense réservoir de catalyseurs potentiels, qui peuvent être encore agrandis par la technologie d’ingénierie des protéines utilisée pour générer des enzymes nouvelles pour la nature. La biologie moderne offre un pipeline technologique pour accélérer la découverte et l’optimisation d’enzymes tout en respectant les spécifications réglementaires, environnementales et de processus. En collaboration avec d’autres modules, les enzymes capables de convertir des agro-ressources, des matériaux synthétiques ou des déchets, seront optimisés pour de nouvelles transformations enzymatiques ainsi que des composants élémentaires pour la conception innovante de l’usine de cellules synthétiques. Des méthodologies génériques à haut débit combinant l’activité et le criblage fonctionnel séquentiel des génomes, des métagénomes et des méta transcriptomes seront mises en œuvre en utilisant divers hôtes, le criblage micro fluidique et des procédures automatisées, ainsi que des procédures analytiques de pointe pour faciliter la conception fondée sur la connaissance de nouveaux éléments catalytiques. L’évolution moléculaire dirigée in vitro ainsi que la conception rationnelle ou semi-rationnelle seront utilisées pour personnaliser les propriétés physico-chimiques ou les spécificités de réaction enzymatiques plus adaptées aux applications industrielles. Des percées dans le domaine de la biophysique sont prévues, ce qui rationalisera la conception de nouvelles protéines de calcul pour mieux intégrer la flexibilité des protéines, l’entropie, l’électrostatique et la salvation des protéines.
2- Ingénierie métabolique et systèmes microbiens :
Les percées du génie génétique ont révolutionné la manière dont les micro-organismes pouvaient être optimisés de manière pragmatique pour favoriser une meilleure performance en biotechnologie. De nouvelles avancées dans les systèmes et la biologie synthétique, donneront lieu à des micro-organismes synthétiques beaucoup plus complexes, ouvrant de nouvelles voies à des carburants, des produits chimiques, des matériaux et des bioproduits rentables. Cependant, les délais de développement sont souvent longs, notamment en raison de l’absence de lien entre la conception/optimisation des souches et les contraintes opérationnelles spécifiques liées à leur exploitation dans les stratégies de fermentation industrielle. Pour surmonter ce goulot d’étranglement, BIOECO sera construit pour intégrer efficacement les spécifications bioprocédés, industrielles, sociétales et économiques pour une conception accélérée de haute performance, des souches plates-formes robustes capables de maintenir leurs performances dans les conditions extrêmes de fermentation industrielle. Cela nécessitera une approche multidisciplinaire intégrant la modélisation mathématique prédictive (lien 5) du comportement fonctionnel des cellules pour concevoir des systèmes vivants de novo, l’analyse au niveau du système des processus, variations induites par l’augmentation des TRLs et des méthodologies de biologie synthétique pour concevoir des voies de synthèse originales à l’aide d’éléments biologiques (Point 3.1) cohérents avec les critères précédents. Le développement suivra les cycles « Designer, Construire, Tester, Apprendre » afin de construire rapidement des microbes plus sûrs, plus efficaces et plus robustes grâce à une approche d’apprentissage automatique, utilisant certaines des méthodes de construction de déformation à haut débit disponibles pour accélérer le développement de déformation. Les organismes du châssis ainsi que les consortiums naturels ou synthétiques seront sélectionnés et optimisés en fonction de leurs caractéristiques métaboliques intrinsèques pour favoriser des domaines spécifiques ciblés de la biotechnologie industrielle.
Lien 4 : Ingénierie de processus novatrice
Des processus innovants pour la biotechnologie industrielle et le bio raffinage avec une réduction des coûts économiques et environnementaux seront développés à l’aide de solutions créatives pour la conception, le contrôle et la mise à l’échelle, basées sur l’ingénierie des processus et la modélisation avancée.
1 – Mise en œuvre des nouvelles potentialités microbiennes pour la production de composés précieux
Une approche intégrée de la conception et de la mise en œuvre du biocatalyse(s) en fonction des contraintes de processus sera établie. Le développement de bioprocédés robustes doit aborder des questions telles que (i) l’accessibilité variable des nutriments dans les environnements inhomogènes (variations spatio-temporelles) rencontrés dans les réacteurs à grande échelle ou en raison de la complexité et de la variabilité de la matrice du substrat (solides élevés, gaz… ), (ii) la robustesse du biocatalyse face aux fluctuations de l’environnement, (iii) la robustesse du biocatalyse face à la toxicité des produits ou coproduits ciblés (iv) la facilité et la prévisibilité du biocatalyse quant à sa bio-ingénierie (pour les souches artificielles). Jusqu’à présent, les améliorations relativement peu exploitées des microbes/consortiums/cultures mixtes contrôlées doivent être explorées pour exploiter certaines des matières premières polymères complexes. De nouveaux défis dans les stratégies de contrôle de ces populations multi-composants doivent être relevés pour exploiter les potentialités métaboliques combinatoires. Une recherche transdisciplinaire est nécessaire pour la description et la modélisation de la biotransformation combinant la cinétique microbienne avec la dynamique des fluides et la thermodynamique (analyse unicellulaire et dynamique des fluides à l’échelle locale, nouvelles approches de modélisation numérique pour une conception optimale).
2 – Intégration de la biotransformation, de la séparation et du bio raffinage :
De nouveaux concepts seront développés pour la séparation des bioproduits ou des biocatalyseurs conduisant à une intégration optimale des processus de séparation au sein de la chaîne de produits mondiale, par l’optimisation et l’application de principes de processus intégrés ou hybrides, diminuant ainsi la consommation d’énergie et les coûts de processus mondiaux. L’un des principaux défis est la récupération des bioproduits à un niveau de concentration et de purification réaliste à partir du mélange complexe provenant du bioréacteur ou directement des ressources renouvelables. Une technologie de procédé in situ novatrice est nécessaire (extraction de solvants et de fluides supercritiques, adsorption, chromatographie, séparation membranaire, etc.) impliquant des variables physico-mécaniques similaires à celles du procédé de transformation pour atteindre des caractéristiques de production intensifiées et des coûts. . .la récolte et la purification efficaces. L’exploitation optimale des matières premières nécessite que chaque transformation fasse partie d’une cascade dans laquelle le résidu est transformé jusqu’à une étape finale de la production d’énergie, conduisant à la production de CO2, fermant ainsi la boucle avec la photosynthèse. Une attention particulière doit être accordée à la récupération des nutriments, pour laquelle la combinaison de technologies pourrait conduire à des engrais organiques, bouclant la boucle avec la qualité du sol et rendements agricoles.
3 – Passage du laboratoire à l’échelle industrielle :
La modélisation du bilan massique de la population et la dynamique computationnelle des fluides permettent d’analyser les phénomènes d’hétérogénéité inhérents aux unités de production à l’échelle industrielle et de proposer des critères de conception optimaux. Un autre défi consiste à intégrer l’efficacité de séparation (lien 4.2) des ressources renouvelables (lien 2) et le biocatalyseur (lien 3) dans une conception intégrée de processus à grande échelle. Des critères similaires s’appliquent également aux aspects en aval et, tout au long du processus, des stratégies de contrôle dynamique des trajectoires de processus sont essentielles pour conserver à la fois la robustesse et la viabilité économique. L’évaluation économique et l’acceptation sociale de certaines nouvelles ressources et lignes de processus seront satisfaites par le développement d’une nouvelle plateforme de démonstration (DEIFI-C, en construction).
Lien 5 : Modélisation mathématique et informatique
Parmi les grands changements qui façonnent notre avenir, l’accès de plus en plus facile et étendu à une abondance toujours croissante de données analytiques sur les systèmes vivants confère inéluctablement une importance cruciale à la modélisation et au calcul. Afin de comprendre les processus biologiques, des molécules aux populations, et de les exploiter pour construire une bioéconomie rationalisée, la simulation, la prévision et l’optimisation seront nécessaires pour exploiter l’information et la transformer en connaissances et en processus opérationnels fiables et efficaces. Ce module facilitera l’échange de méthodes mathématiques et informatiques appropriées et offrira une voie de faible résistance au travail interdisciplinaire.
1 – Modélisation et conception moléculaires :
Les méthodes de calcul permettant la modélisation multi-échelle et la conception moléculaire permettent d’accélérer la compréhension, et donc d’importants gains économiques, du processus de conception, d’optimisation ou de criblage de nouvelles molécules. De nouveaux outils de modélisation et de conception de pointe seront assemblés pour mieux représenter l’environnement, la flexibilité et la complexité moléculaires, y compris des fonctions énergétiques plus précises (Lien 3). En fin de compte, cela mènera à des outils de modélisation et de conception moléculaires précis et rationnels, ouvrant la voie à la conception d’enzymes industrielles et à des outils de dépistage fiables à haut débit pour les petites molécules afin de renforcer l’approche de la biologie synthétique.
2 – Analyse de séquences à haut débit :
Le séquençage à haut débit au niveau du génome et de la transcription offre une quantité sans précédent de données qui doivent être analysées efficacement. Outils de calcul (méta)génome/transcriptome à haut débit basés sur des algorithmes et des structures de données efficaces, permettant une interprétation efficace, le dépistage des gènes codant pour des enzymes inconnues et une meilleure compréhension des interactions et de la régulation des gènes (Lien 3) sera développé.
3 – Modélisation des réseaux métaboliques et géniques :
Pour simuler et optimiser le métabolisme des microorganismes, les interactions entre les métabolites et les enzymes, l’ARN, les gènes et l’ADN seront modélisées. Une plateforme de modélisation métabolique multi-échelle qui peut passer de quelques réactions à une échelle pangénomique sera établie. Nous utiliserons des modèles probabilistes pour reconstruire les réseaux de régulation des gènes et leur interaction avec le métabolisme à l’aide de données ohmiques à haut débit, d’apprentissage automatique et de statistiques. Cela permettra d’identifier les prédictions in silico des caractéristiques métaboliques du micro-organisme nouvellement modifié avant d’amorcer l’entrée expérimentale, éliminant ainsi les faiblesses de conception vitales à la source.
4 – Approche systémique de la modélisation multi-objectifs multi-échelle pour la durabilité
Les modèles génériques de conception de bioprocédés nécessitent une approche multi-échelle spatiale et temporelle, depuis un micro-organisme et ses capacités métaboliques jusqu’à la chaîne d’approvisionnement. Cela couvre également la dynamique des processus biologiques (énergie, thermodynamique) ainsi qu’une quantification des impacts négatifs non durables ou environnementaux. Dans une perspective industrielle, de tels modèles seront également utiles pour la rétroconception des systèmes biologiques sur la base d’une étude de faisabilité économique. Elles devraient également faciliter l’analyse du cycle de vie, simultanément sur plusieurs critères, qu’ils soient économiques (liens 1 et 4) ou liés à la durabilité (lien 6). Nous aborderons deux goulots d’étranglement cruciaux des coûts informatiques extrêmes de l’optimisation de systèmes complexes et de l’analyse de problèmes multi-échelles (rigides).
Lien 6 : Évaluation environnementale et écoconception
Les dommages et les avantages environnementaux seront évalués à partir des nouvelles technologies à mettre en œuvre dans l’agriculture et l’industrie et des nouveaux modèles d’affaires, afin de soutenir l’éco-conception des systèmes à toutes les échelles de production (Link 4), les chaînes de valeur et les secteurs d’activité. La durabilité exige des recherches holistiques axées sur les systèmes et des méthodes prédictives pour la protection de l’environnement, le développement économique et le bien-être social (Lien 1). Les systèmes multidimensionnels et multicritères à étudier vont du processus unitaire, de l’unité de production à la chaîne de valeur, y compris la production de matières premières, le secteur d’activité et le cycle de vie, de la prévision actuelle à la prévision à long terme, avec un caractère générique ou avec une dimension territoriale concrète. Des méthodes d’évaluation environnementale comme l’évaluation du cycle de vie (attributionnelle, corrélative, opérationnelle, sociale), l’empreinte carbone et hydrique seront utilisées pour évaluer les impacts environnementaux (épuisement des ressources naturelles, santé humaine et qualité de l’écosystème). Les méthodes thermodynamiques, c’est-à-dire l’analyse eMergy et eXergy (ancrée dans la thermoéconomie), aideront à l’étude structurelle des systèmes et à l’évaluation de l’utilisation du capital et des services écosystémiques.
Les plateformes de modélisation multidisciplinaire permettront de coupler les nouveaux développements de processus (résultats des liens 2 à 5) avec des modèles d’évaluation multicritères. Ces approches seront appliquées à tous les niveaux, du procédé unitaire à la bioraffinerie (modèles suprastructures), à la conception de nouveaux procédés ainsi qu’à la refonte des procédés existants. À plus grande échelle, l’éco-conception des chaînes de valeur devrait exiger (outre les approches au niveau du processus) la modélisation dynamique des flux bio-physiques du système (par ex. analyse dynamique des flux de matériaux) avec évaluation de la performance environnementale et analyse structurelle (méthodes thermodynamiques). Les nouveaux secteurs d’activité et les nouvelles stratégies commerciales susceptibles d’émerger du développement technologique seront prospectés et évalués (LCA conséquente) pour leur pertinence et leur faisabilité à l’échelle réelle, en étroite interaction avec Link 1.
De nouvelles méthodes d’évaluation fondées sur les méthodes existantes seront élaborées pour combler les lacunes et mieux intégrer les nouvelles questions environnementales, p. ex., la séquestration durable du carbone et l’utilisation des terres, la préservation des services écosystémiques, les ressources renouvelables (renouvelable par rapport à la consommation)., les risques locaux pour les écosystèmes et la santé humaine, l’acceptabilité sociale, le recyclage en circuit fermé des nutriments (N, P, K, C) et la dégradation des ressources en eau. L’échelle temporelle sera incluse dans les méthodes nouvellement développées afin de saisir les impacts environnementaux, l’influence des pratiques dans les chaînes de valeur étudiées, la dynamique de la séquestration/émission de carbone, la dynamique de l’agriculture et l’interconnexion avec les unités de production connexes, sur le déploiement des changements climatiques, sur la santé humaine, l’eutrophisation et d’autres impacts locaux dans le temps.
Un autre aspect majeur est l’élaboration d’une valeur système dérivée des évaluations multicritères. Un ensemble d’indicateurs de durabilité pertinents adaptés à différentes échelles sera développé pour soutenir la prise de décision au niveau scientifique (pour les propositions d’éco-conception) mais aussi pour les acteurs industriels, les praticiens et les parties prenantes (macro-indicateurs), ainsi qu’à des fins de communication sociétale. Des méthodes mathématiques seront mises en œuvre pour un choix raisonné d’indicateurs environnementaux à prendre en compte dans l’éco-conception (Liens 4 et 5). Les principaux résultats seront des méthodes et des outils opérationnels (modèles originaux, logiciel de validation de concept et indicateurs de durabilité) pour l’évaluation multicritères et la conception écologique de scénarios de bioéconomie. Outre les développements génériques, un méta-modèle multidimensionnel sera initié basé sur les flux biophysiques impliqués dans des scénarios de bioéconomie sélectionnés (voies de transformation des ressources-produits-déchets), couplé à l’évaluation d’indicateurs de durabilité, y compris la dimension territoriale avec des racines efficaces dans notre région.