Biosurfactants : Production et applications

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Dr. Ashish Verma, consultant en ingénierie biochimique sur Kolabtree, écrit sur la production et les applications des biosurfactants.

Le terme agent tensioactif est un mélange de surface acteive agent. Les agents de surface sont généralement des composés organiques amphiphiles, ce qui signifie qu'ils contiennent à la fois des groupes hydrophobes (leur "queue") et des groupes hydrophiles (leur "tête"). Ils sont donc solubles à la fois dans les solvants organiques et dans l'eau. Le terme "agent de surface" a été inventé par Antara products en 1950.

Les tensioactifs réduisent la tension superficielle de l'eau en s'adsorbant à l'interface liquide-gaz. Ils réduisent également la tension interfaciale entre l'huile et l'eau en s'adsorbant à l'interface liquide-liquide. De nombreux agents de surface peuvent également s'assembler en agrégats dans la solution en vrac. Les vésicules et les micelles sont des exemples de ces agrégats. La concentration à laquelle les agents de surface commencent à former des micelles est connue sous le nom de concentration critique en micelles ou CMC. Lorsque les micelles se forment dans l'eau, leurs queues forment un noyau qui peut encapsuler une gouttelette d'huile, et leurs têtes (ioniques/polaires) forment une enveloppe extérieure qui maintient un contact favorable avec l'eau.

La demande mondiale de tensioactifs augmente de jour en jour en raison de sa grande application dans divers secteurs tels que la récupération assistée du pétrole, l'assainissement des sols et des aquifères, les aliments, les produits pharmaceutiques, les cosmétiques, les herbicides, les pesticides, les industries du cuir, les produits ménagers, les industries de la peinture, etc. La demande du marché mondial des tensioactifs était de 15,93 millions de tonnes en 2014 et devrait atteindre 24,19 millions de tonnes en 2022, avec un TCAC de 5,4% de 2015 à 2022.

Production de biosurfactants

Presque tous les tensioactifs synthétiques actuellement utilisés sont chimiquement dérivés de pétrole. Ces composés sont généralement toxiques pour l'environnement, et ils peuvent libérer des produits chimiques toxiques lorsqu'ils se décomposent, ils sont toxiques pour la peau humaine et leurs sous-produits peuvent également être dangereux pour l'environnement, en raison de leur nature persistante (non biodégradable), ils peuvent affecter négativement la fertilité du sol et également contaminer les masses d'eau. En dépit de ces inconvénients, leur utilisation augmente de jour en jour dans le monde entier, tant dans les industries que dans les ménages.

C'est là que les biosurfactants entrent en jeu. Les biosurfactants sont des composés tensioactifs produits par des cellules vivantes. Leur nature et leur capacité à réduire la tension superficielle dépendent du type et de la souche du micro-organisme (bactéries, levures, champignons) utilisé et du substrat nutritif disponible pour la croissance cellulaire.

Les tensioactifs/biosurfactants microbiens sont des métabolites tensioactifs produits par les micro-organismes lorsqu'ils sont cultivés sur des substrats miscibles à l'eau ou huileux : ils restent adhérents aux surfaces des cellules microbiennes ou sont sécrétés dans le bouillon de culture. 

Les tensioactifs microbiens constituent un groupe diversifié de molécules tensioactives et sont connus pour se présenter sous diverses structures chimiques, telles que les glycolipides, les lipopeptides et les lipoprotéines, les acides gras, les lipides neutres, les phospholipides et les structures polymériques et particulaires. Les caractéristiques qui en font des alternatives commercialement prometteuses aux tensioactifs synthétisés chimiquement sont leur toxicité plus faible, leur biodégradabilité plus élevée et, par conséquent, leur plus grande compatibilité avec l'environnement, leurs meilleures propriétés moussantes (utiles dans le traitement des minéraux) et leur activité stable aux extrêmes de pH, de salinité et de température.

Les activités des biosurfactants peuvent être déterminées en mesurant les modifications des tensions superficielles et interfaciales, la stabilisation ou la déstabilisation des émulsions et l'équilibre hydrophile-lipophile (HLB). La tension superficielle aux interfaces air/eau et huile/eau peut facilement être mesurée à l'aide d'un tensiomètre. Les tensioactifs biologiques ont des propriétés uniques que les tensioactifs synthétisés chimiquement n'ont pas, comme une activité de surface élevée, le respect de l'environnement, une toxicité plus faible, la biodégradabilité, l'acceptabilité écologique, une bonne activité antimicrobienne et ne perdent pas leurs propriétés physico-chimiques à différentes températures, pH et niveaux de salinité. Ils sont largement utilisés dans la récupération assistée des hydrocarbures par voie microbienne (MEOR), l'agriculture, l'alimentation, les cosmétiques et les industries pharmaceutiques. Aujourd'hui, le pétrole brut et les produits pétroliers constituent la principale source de polluants hydrocarbonés pour les sols et les milieux marins. En raison de la nature insoluble de ces polluants dans l'eau, leur élimination de l'environnement est très difficile. La biodégradation des hydrocarbures par des micro-organismes est l'un des moyens prometteurs de les éliminer du sol et de l'environnement marin.  

Le marché mondial des biosurfactants devrait atteindre 2 308,8 millions USD d'ici 2020. L'augmentation de la préférence des consommateurs pour l'utilisation de produits biosourcés, en particulier en Europe et en Amérique du Nord, devrait accroître la pénétration des biosurfactants. Le marché mondial des biosurfactants devrait atteindre 462 kilotonnes d'ici 2020, avec un TCAC de 4,3% de 2014 à 2020 (https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/biosurfactants-industry).

L'Europe était le plus grand marché régional pour les biosurfactants, avec une consommation de 178,9 kilo tonnes en 2013. L'Amérique du Nord était le deuxième plus grand consommateur de biosurfactants en 2013, avec une part de plus d'un quart. 

L'Asie-Pacifique était un marché relativement petit en 2013 mais devrait gagner une part considérable au cours de la période de prévision en raison de l'industrie d'application croissante dans la région. Des pays tels que l'Inde et la Chine sont très présents dans les secteurs du textile, de l'agriculture et de l'hygiène personnelle, ce qui devrait augmenter le marché de l'acrylique. demande de biosurfactants au cours des six prochaines années

Applications des biosurfactants

Cependant, les applications des tensioactifs biologiques en sont encore au stade du développement industriel. Le développement de l'application des biosurfactants dans les industries est principalement axé sur un rendement élevé de la production de biosurfactants et sur la production de biosurfactants hautement actifs ayant des propriétés spécifiques pour des applications spécifiques. Les biosurfactants ont des applications importantes dans les industries liées au pétrole telles que :

  • Récupération améliorée du pétrole,
  • Nettoyage des déversements d'hydrocarbures,
  • Nettoyage de camions-citernes contaminés par du pétrole,
  • Contrôle de la viscosité
  • émulsification de l'huile, et
  • Élimination du pétrole brut des boues.

Compte tenu des nombreuses applications potentielles des biosurfactants, il est important d'améliorer leur production à un niveau commercial. De plus, une grande variété de microorganismes divers peuvent produire des biosurfactants ayant une structure chimique et des propriétés de surface différentes. La production de biosurfactants par les micro-organismes est plus avantageuse lorsqu'ils se développent sur un substrat non miscible à l'eau en interagissant avec la limite de phase entre l'eau et le sol. deux phases dans un système hétérogène. Les biosurfactants améliorent l'émulsification des hydrocarbures afin de solubiliser les contaminants hydrocarbonés et d'augmenter leur disponibilité pour les microbes. Par conséquent, ce phénomène permet la croissance microbienne sur une source de carbone non miscible à l'eau.

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À propos de l'auteur

Le Dr Ashish Verma est professeur adjoint au département de bio-ingénierie de l'université Integral, à Lucknow, en Inde. Il est ingénieur biochimiste indépendant et expert en production de métabolites microbiens. Il a plus de 8 ans d'expérience dans la recherche.

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