Un tout petit pas vers la production « bio » d’ammoniac.

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La production industrielle d’ammoniac catalysée par des oxydes de fer selon le procédé Haber-Bosch (1909) requiert de fortes pressions, 200 bars, et des températures élevées, 450 °C, outre la production en parallèle d’hydrogène dont la principale source est le gaz naturel et la purification de l’azote atmosphérique par liquéfaction, deux postes également gros consommateurs d’énergie. Les chiffres concernant la production d’ammoniac sont éloquents : 140 millions de tonnes produites annuellement représentant 3 % des émissions de CO2 dans l’atmosphère. Le dogme du changement climatique d’origine humaine a donc stimulé la recherche dans le domaine de la production d’ammoniac à l’aide de catalyseurs d’origine biologique – des enzymes – car la nature sait très bien produire de l’ammoniac dans des conditions de température et de pression tout aussi naturelles. L’un des microorganismes candidat pour tenter de réaliser une production d’ammoniac à l’aide d’enzymes est l’Azotobacter vinelandii qui possède l’équipement nécessaire pour réaliser les deux réactions nécessaires, casser la molécule d’azote N2 extrêmement solide et produire des ions hydrogène. Il s’agit d’une nitrogénase, un enzyme fonctionnant avec du fer et du molybdène comme cofacteurs mais grand consommateur d’énergie fournie sous forme d’ATP par la cellule. L’autre enzyme fournissant les ions hydrogène H+ à partir de l’hydrogène moléculaire H2 contient deux métaux, du fer et du nickel. Pour casser une molécule d’azote il faut consommer 16 molécules d’ATP pour arriver au final à deux molécules d’ammoniac NH3 :

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Des chimistes de l’Université de l’Utah se sont donc attaqué à ce problème délicat en rassemblant dans une sorte de pile « à combustible enzymatique » d’un type nouveau d’un côté une hydrogénase et de l’autre coté une nitrogénase, les deux compartiments de cette pile étant séparés par une membrane poreuse aux ions hydrogène H+. Le compartiment hydrogénase a été enrichi en hydrogène gazeux et l’autre compartiment enrichi en azote également gazeux, le tout étant strictement isolé de tout oxygène qui détruirait instantanément ces deux enzymes. En remplaçant l’ATP par d’autres produits donneurs d’électrons cette pile enzymatique a été capable de produire de l’ammoniac et donc de casser la molécule d’azote tout en produisant – Oh surprise – un peu d’électricité puisque les électrons doivent transiter d’une des électrodes vers l’autre comme l’indique le schéma tiré de l’article paru dans Angewandte Chemie (voir le doi). Dans ce schéma MV est le méthyl viologène et PEM la membrane perméable aux ions hydrogène H+. En bleu à gauche l’hydrogénase et à droite le complexe nitrogénase.

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Il existe tout de même de gros problèmes à résoudre avant d’arriver à produire de l’ammoniac par cette approche. D’abord il faut disposer de ces deux enzymes qui sont plutôt difficiles à purifier car ils sont détruits par des traces d’oxygène. D’autre part le transfert d’électrons est assuré par de l’ATP et produire cet ATP in situ, c’est-à-dire dans la pile enzymatique elle-même, semble totalement irréaliste dans l’état actuel des connaissances biochimiques. La modélisation présentée par le Docteur Minteer devra donc attendre probablement très longtemps pour atteindre une quelconque application industrielle.

Source : Angewandte Chemie ( 10.1002/anie.201612500 ) aimablement communiqué par le Docteur Shelley D. Minteer qui est vivement remerciée ici.

Notes explicatives. Dans la plupart des cellules vivantes l’ion hydrogène H+ est produit à partir de l’eau avec apparition simultanée d’électrons et non pas de l’hydrogène gazeux. La modélisation réalisée par l’équipe du Docteur Minteer a utilisé l’enzyme hydrogénase purifié à partir de la bactérie Desulfovibrio gigas pour la beauté de la démonstration, si on peut dire les choses ainsi. Le méthyl viologène est un pigment artificiel accepteur d’électrons.

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