Petits mais puissants - les micro-organismes contribuent à une plus grande durabilité chez BASF

La plateforme de R&D unique de BASF sert de base au développement de solutions chimiques durables. "Ces dernières années, nous avons systématiquement adapté cette plateforme aux besoins de nos clients", a déclaré M. Maas-Brunner. BASF compte environ 10 000 employés travaillant dans la recherche et le développement dans le monde entier. En 2021, l'entreprise a investi environ 2,2 milliards d'euros dans le développement de produits durables et de nouveaux domaines technologiques. "L'élargissement de nos compétences est une tâche permanente pour nous", a déclaré Maas-Brunner. Il s'agit par exemple de produire de l'hydrogène_{sans CO2}, d'électrifier les processus de production et de faire progresser l'économie circulaire, mais aussi d'exploiter de nouvelles sources de matières premières et d'utiliser encore plus efficacement les outils numériques.

Les investissements dans la recherche et le développement portent leurs fruits, comme en témoignent les plus de 11 milliards d'euros de chiffre d'affaires générés par les produits que BASF a mis sur le marché au cours des cinq dernières années. Au sein de l'industrie chimique, BASF occupe une position de leader en termes de nombre et de qualité de ses brevets. "Je suis particulièrement heureux qu'en 2021, 45 % de nos demandes de brevet aient été liées à des innovations mettant particulièrement l'accent sur la durabilité - et cette tendance s'accentue", a déclaré M. Maas-Brunner. À long terme également, l'entreprise souhaite augmenter ses ventes et ses revenus provenant de produits qui contribuent de manière significative à la durabilité.

"De nombreuses technologies qui permettront d'instaurer une société neutre sur le plan climatique n'ont pas encore été inventées", a déclaré M. Maas-Brunner. Il est donc important de surmonter les défis futurs en étant ouvert aux technologies et en intégrant des concepts technologiques alternatifs. "Pour ce faire, nous avons besoin d'alliances - avec tous les acteurs de l'industrie, de la science, de la politique et de la société. Les alliances entre les entreprises et les législateurs sont particulièrement importantes, car nous avons besoin de bonnes conditions cadres pour soutenir nos actions", a déclaré M. Maas-Brunner.

La biotechnologie blanche devient de plus en plus importante

Grâce à son large éventail de compétences technologiques, BASF est bien placé pour développer des solutions innovantes pour une chimie climatiquement neutre. La biotechnologie blanche devient un élément de plus en plus important de la boîte à outils de BASF. "Ce sont les outils de la nature ; les gens les utilisent depuis longtemps et les perfectionnent constamment", a déclaré le Dr Doreen Schachtschabel, vice-présidente de la recherche en biotechnologie blanche chez BASF. Les micro-organismes, tels que les bactéries ou les champignons, sont impliqués dans ces bioprocédés, notamment la fermentation et la biocatalyse. Ils utilisent diverses matières organiques pour les transformer en produits finis complètement différents. Il peut s'agir de vin, de pain ou de fromage, mais aussi de substances destinées à l'industrie chimique. "La biotechnologie blanche est devenue l'une de nos technologies clés qui nous permet de produire en utilisant une variété de matières premières de manière efficace, en préservant les ressources et, surtout, en étant flexible", a déclaré M. Schachtschabel.

La liste des produits chimiques et des produits que BASF fabrique grâce aux méthodes de la biotechnologie blanche est longue : biopolymères, ingrédients essentiels pour l'alimentation humaine et animale tels que vitamines et enzymes, produits de protection des cultures, arômes et parfums ainsi qu'enzymes pour détergents et ingrédients cosmétiques. Dans cinq des six segments de BASF - produits chimiques, matériaux, solutions industrielles, nutrition et soins et solutions agricoles - l'entreprise fabrique déjà plus de 3 000 produits associés à la biotechnologie ou biodégradables. En 2021, ceux-ci ont contribué à plus de 3,5 milliards d'euros de ventes, et la tendance est à la hausse.

Pour développer de nouveaux procédés et produits, les chercheurs de BASF travaillent avec de nombreux partenaires externes, universitaires et industriels. Les bases technologiques et les approches sont généralement très similaires malgré les propriétés différentes des molécules.

Tout d'abord, on identifie un microorganisme approprié qui peut être cultivé. À l'étape suivante, le génome est modifié, si nécessaire, ce qui change le métabolisme de telle sorte que la bactérie ou le champignon fabrique davantage d'une certaine substance ou produise une molécule entièrement nouvelle dotée de nouvelles propriétés.

Le bioprocessus proprement dit commence alors : Les micro-organismes produisent la molécule cible dans les volumes souhaités et dans des conditions optimales. Les nutriments et les éléments constitutifs peuvent être des matières premières renouvelables, comme le sucre, mais aussi des flux de déchets, des produits recyclés et des molécules synthétisées chimiquement.

La numérisation est essentielle pour le développement de nouveaux processus et produits. Il ne s'agit pas seulement de travailler de manière plus efficace et efficiente. "Sans la biologie computationnelle, plus précisément la bioinformatique, nous ne serions pas en mesure de faire ce que nous faisons aujourd'hui", a déclaré M. Schachtschabel.

Le développement de l'insecticide Inscalis™ montre comment la chimie classique et la biotechnologie peuvent se compléter idéalement. La première étape de la production de cet insecticide est la fermentation. Le produit intermédiaire est ensuite transformé en un produit phytosanitaire fini dans un processus de production ultérieur basé sur la chimie classique. "Ici, nous réunissons le meilleur des deux mondes : en combinant la fermentation et la synthèse chimique sélective, le processus hybride nous permet de produire un produit hautement efficace et durable de manière rentable", a déclaré Schachtschabel.

À l'avenir, BASF continuera à s'appuyer sur une base flexible et large de matières premières et de technologies. "Nous reconnaissons que la biotechnologie, l'ingénierie et la chimie classique, lorsqu'elles sont intégrées de manière optimale, permettent des processus très efficaces ainsi que durables sur le plan économique et environnemental. Cela aidera BASF à atteindre ses objectifs de durabilité", a déclaré M. Schachtschabel.

Le carbone gazeux comme source alternative de matières premières

Outre la fermentation classique, qui est généralement basée sur des matières premières renouvelables, BASF et la société américaine LanzaTech travaillent ensemble sur des processus spéciaux dans lesquels les bactéries utilisent des sources de carbone gazeux, comme le monoxyde et le dioxyde de carbone, comme matière première. Le carbone peut provenir des gaz d'échappement des aciéries, des raffineries et des usines chimiques, mais aussi des déchets ménagers gazéifiés. "Nous aimerions exploiter le potentiel de la fermentation gazeuse pour fabriquer des produits chimiques destinés aux chaînes de valeur de la chimie", a déclaré le professeur Michael Helmut Kopf, directeur des plateformes de fermentation alternatives chez BASF. Les installations de production de LanzaTech en Chine utilisent déjà cette technologie pour produire de l'éthanol et une autre usine en Belgique sera bientôt opérationnelle. Les deux entreprises souhaitent maintenant produire des alcools supérieurs et d'autres produits intermédiaires à l'aide de procédés de fermentation gazeuse.

"Nos bactéries sont spécialement conçues pour pouvoir transformer le carbone résiduel en une variété d'intermédiaires souhaités", explique le Dr Sean Simpson, fondateur et directeur scientifique de LanzaTech. BASF, pour sa part, apporte son expertise en matière de chimie et de technologie des procédés ainsi que d'intensification des processus dans ce projet de développement. BASF conçoit également le processus de séparation et de purification des produits issus du système de fermentation afin qu'ils puissent être intégrés dans les chaînes de valeur.

Il y a plus qu'assez de sources de carbone alternatives dans le monde qui peuvent être utilisées pour la fermentation gazeuse. "Mais cela nécessitera un changement d'état d'esprit pour permettre des projets à caractère intersectoriel, par exemple, en reliant l'industrie chimique aux aciéries ou aux entreprises de gestion des déchets", a déclaré M. Simpson. Une plus grande disponibilité de ces sources de matières premières alternatives signifiera un moindre besoin de matières premières fossiles vierges pour produire des produits chimiques.

"Les technologies de gazéification des matières résiduelles, la fermentation des gaz - associée à l'hydrogène durable et à l'énergie renouvelable pour la synthèse des produits - et les processus de purification efficaces des produits obtenus peuvent, à l'avenir, apporter une contribution importante à l'amélioration de la durabilité de nos chaînes de valeur", a déclaré M. Kopf, commentant le potentiel de cette technologie.

Comprendre la biodégradabilité en détail

Chez BASF, les bactéries et les champignons ne jouent pas seulement un rôle dans la production de produits durables. "Pour nous, la durabilité signifie également savoir exactement comment et pourquoi les micro-organismes présents dans l'environnement biodégradent nos produits après leur utilisation", a déclaré le professeur Andreas Künkel, vice-président de BASF chargé de la recherche sur les biopolymères. La biodégradabilité signifie que les micro-organismes métabolisent les molécules organiques complexes en énergie, eau, dioxyde de carbone et biomasse.

Pour utiliser cette méthode naturelle et développer des produits entièrement biodégradables, il faut une compréhension fondamentale de la chimie et des processus biologiques. C'est pourquoi BASF a considérablement développé ses activités de R&D en matière de biodégradabilité au cours des dix dernières années. "Ce sujet incroyablement complexe ne peut être maîtrisé que par une équipe interdisciplinaire", a déclaré M. Künkel. Il a souligné l'importance de la collaboration interne et externe avec les clients, les universités et les instituts de recherche, avec lesquels BASF a mené des expériences approfondies en laboratoire et en laboratoire. BASF a mené des expériences approfondies en laboratoire et sur le terrain. "Nous examinons dans les moindres détails la manière dont nous devons concevoir les matériaux pour que nos produits se biodégradent dans le sol et dans des systèmes techniques tels que le compost et les installations de traitement des eaux usées", a expliqué M. Künkel.

Le film de paillage ecovio® en est un exemple. Il est certifié biodégradable dans le sol et aide les agriculteurs à obtenir de meilleurs rendements. Après la récolte, le film peut simplement être labouré et sera décomposé par les micro-organismes du sol. Les chercheurs de BASF ont collaboré avec des scientifiques de l'ETH Zurich pour examiner comment et pourquoi le film se biodégrade dans le sol, tant en laboratoire que sur le terrain. Pour ce faire, ils ont développé de nouvelles méthodes d'analyse qui peuvent prouver que le carbone du film est biologiquement transformé en dioxyde de carbone et en biomasse.

Une autre application importante des matériaux biodégradables sont les ingrédients des détergents pour le linge, les lave-vaisselle et les cosmétiques qui finissent dans les stations d'épuration des eaux usées à la fin de leur cycle de vie. Ici aussi, il est crucial de comprendre exactement comment la structure du matériau influence sa biodégradabilité.

Pour élargir le portefeuille de nouveaux produits biodégradables certifiés, les outils numériques sont une composante importante du travail de recherche. Grâce à sa vaste collection de données sur la biodégradabilité, BASF peut développer des modèles informatiques capables de prédire, à un stade très précoce du développement du produit, les propriétés et la biodégradabilité des molécules et des matériaux, et ainsi permettre d'adapter leurs structures en conséquence. "BASF est un pionnier et un leader dans la modélisation numérique de la biodégradabilité prédictive. Cela est utile lors de la coopération avec les clients pour développer des produits biodégradables sur mesure pour une application particulière", a déclaré M. Künkel.