Les champignons sont presque partout – dans l’air que vous respirez, le sol sur lequel vous marchez, nous les mangeons et oui, ils vivent aussi à l’intérieur de nous. Pourtant, les champignons sont capables de plus. Et notamment de fabriquer des matériaux de construction  à base de mycelium !

Pour la biotechnologie industrielle, les champignons comme la levure sont des catalyseurs couramment utilisés pour les bioprocédés tels que le brassage de la bière ou la boulangerie. Dans la nature, le règne fongique représente le groupe le plus abondant d’organismes, jouant divers rôles importants tels que la dégradation de matières organiques mortes, la fourniture de nutriments aux plantes, la détoxification du sol et la purification de l’eau des métaux lourds. Certaines espèces fongiques ont été utilisées pour le développement de médicaments (antibiotiques), des échafaudages composites à base de champignons sont appliqués en biomédecine[1]. Dans la médecine chinoise, le shiitake, le reishi et d’autres champignons sont utilisés depuis longtemps à des fins médicinales ou nutritionnelles.

Aujourd’hui, l’industrie de la biotechnologie fongique connaît une renaissance et contribue à créer une économie circulaire en passant d’une économie basée sur le pétrole à une économie basée sur les bio-ressources. La production récente à l’échelle industrielle, compétitive et respectueuse de l’environnement de matériaux à base de mycélium pour les industries de la construction, du meuble, du transport et de l’emballage a le potentiel de contribuer de manière significative aux objectifs de développement durable des Nations Unies[2]. La valorisation des déchets lignocellulosiques riches en lignine et cellulose semble notamment prometteuse pour le développement de matériaux composites (Ecovative Design, Mushroom Packaging), de fibres (MycoWorks), de membranes, ou encore de cuir (Mylo, Bolt Threads). Par conséquent, l’exploration d’espèces fongiques et le développement de technologies pour produire des matériaux à base de mycélium continuent d’augmenter.

Qu’est-ce que le matériau mycélium ?

La culture de champignons est un processus biotechnologique. Les matériaux à base de mycélium sont fabriqués en sélectionnant les composants souhaités (espèces, substrats) et en suivant un processus de synthèse spécifique. Les champignons de la pourriture blanche tels que Ganoderma lucidum et Pleurotus ostreatus peuvent décomposer les mêmes polymères naturels afin de les absorber et de se développer. Ces espèces fongiques peuvent se développer sur divers substrats – matières premières agricoles comme la paille, les céréales, les granulés de café ou la sciure de bois. Ils ont également besoin de suffisamment d’eau. La croissance du réseau fongique est démarrée par inoculation (Figure 1) à l’aide d’un blanc de champignon. Grâce au développement des hyphes, le champignon crée un réseau de mycélium interconnecté qui entoure et relie le matériau discret pour former un composite autoportant. Les techniques aseptiques ainsi que la surveillance des conditions thermodynamiques (température, humidité, accès à l’oxygène et à la lumière) sont intrinsèques à la conception du procédé et façonneront la formation et les propriétés du biomatériau.

Le mycelium est un matériau qui a déjà été en phase d’expérimentation sur des projets comme The Exploded View Beyond Building ou Biobased Créations. Des industriels ont même passé le cap de la fabrication et de la commercialisation d’isolant comme le Vegan Isolation ou l’Orb de Biohm 

Les filaments de mycélium sont appelés hyphes, constitués de cellules allongées. La paroi cellulaire du mycélium est constituée de chitine, de glucanes, de protéines et de lipides, dont la concentration dépend du substrat d’alimentation qui définit finalement les propriétés des matériaux synthétisés [3]. Les matières premières lignocellulosiques sont composées d’environ 60 à 70 % de sucres fermentescibles et de 20 à 30 % de composés aromatiques que les champignons filamenteux comme Pichia spp ou Fusarium spp sont traités des experts naturels[4]. En sécrétant des enzymes spécifiques, les champignons peuvent accéder aux nutriments (carbone, azote, etc. ) et décomposera finalement les réseaux de polysaccharides qui servent de feuilles structurelles qui entourent les hyphes[5]. Ainsi, le mycélium est un mélange tenace de matrices de chitine-glucane et de réticulation intracellulaire filamenteuse. Après une colonisation complète, des fructifications caractéristiques des espèces de Basidiomycota émergeront au-dessus de la structure mycélienne. La procédure de croissance peut être interrompue au moment requis par un traitement thermique ou un séchage. Par rapport à d’autres matériaux avancés (conducteurs ou électroniques, composites inorganiques, polymères), les biocomposites fongiques nécessitent un processus de fabrication considérablement simplifié tout en offrant une liberté de conception et une fonctionnalité sans précédent.

Comment créer un matériau de mycélium avec différentes propriétés ?

Premièrement, les propriétés fonctionnelles du matériau de mycélium peuvent être modifiées en fonction de ses besoins et de son utilisation. Les matériaux de mycélium pur présentent différentes propriétés structurelles en fonction de la souche fongique, du substrat, des conditions de croissance et du traitement après synthèse. Les propriétés mécaniques sont généralement définies par les espèces (morphologie) – le mycélium fibreux allongé a plus d’élasticité et peut donc être utilisé pour le myco-cuir, contrairement au mycélium plus résistant, des matériaux de construction plus résistants que le béton peuvent être obtenus .

Deuxièmement, en combinaison avec des techniques de traitement contrôlées, une variété de substrats et d’additifs peuvent être utilisés pour lier des particules lignocellulosiques discrètes dans des composites de mycélium à géométrie définie (Figure 2) . Toutes les matières premières et tous les additifs d’origine organique contribuent à la biodégradabilité en fin de vie du produit[6]. Fait intéressant, certains groupes de champignons produisent des matériaux non toxiques en dégradant les composés toxiques, comme les terpènes, dans le substrat d’alimentation [7]. Ces attributs aident à introduire de nouvelles façons de créer des matériaux respectueux de l’environnement, ainsi qu’à réduire le besoin de produits chimiques durs, de colorants et ainsi à réduire les coûts de production.

Ensuite, nous examinons les paramètres du processus et le post-traitement. L’interaction entre les champignons de la pourriture blanche et leur matière première ainsi que les variables du processus lors de la fabrication (protocole, stérilisation, inoculation, emballage, incubation, période de croissance et méthode de séchage) sont essentielles à la conception et au développement du produit[8]. Le bon niveau de température, d’humidité, de lumière (ou son absence) contribue à la formation et à la fonctionnalité du produit final. Par exemple, le développement d’un tissu mycélien plus dense peut rendre le matériau plus durable, l’ajout de dextrose peut rendre le matériau plus élastique et des minéraux spéciaux peuvent réduire l’appétit des rongeurs et des insectes. Important à noter, le mycélium fongique est hydrofuge. L’augmentation de poids par absorption d’humidité se produit principalement dans les charges résiduelles [9].

Une fois que le produit a complètement pénétré dans le moule, il est soit complètement séché pour arrêter sa croissance, soit partiellement séché afin qu’il puisse se réhydrater et se développer dans des parties adjacentes, formant ainsi une seule section fabriquée. En appliquant une pression à froid ou à chaud, les propriétés structurelles des composites à base de mycélium peuvent être améliorées. Le pressage augmente la densité du matériau et réduit la porosité. Il aide également à réorienter les fibres horizontalement dans un plan et réduit leur épaisseur, augmentant ainsi le contact entre les fibres qui se chevauchent[10]. Le matériau peut être traité avec des huiles naturelles pour le rendre plus durable.

Quelles sont les applications des matériaux fongiques ?

Issu de ce qui précède, la conception et l’ingénierie bio-inspirées des matériaux présentent un domaine de recherche mûr, compte tenu des matériaux complexes que la biologie est capable de produire. En plus d’être rentables, biodégradables, moins denses et moins impactants sur l’environnement, les matériaux fongiques présentent de nombreux autres avantages par rapport aux matériaux traditionnels. En raison de leur absorption acoustique élevée, de leur faible conductivité thermique et de leur résistance au feu, les matériaux à base de mycélium ont été comparés au polystyrène expansé (PSE), une mousse à base de pétrole utilisée pour l’isolation thermique dans l’industrie de la construction[11,12]. De plus, la structure poreuse du mycélium est bénéfique pour les performances d’isolation thermique. Un certain nombre de brevets existent sur des matériaux composites fabriqués à partir de mycélium dans le secteur de l’automobile et de l’emballage[13].(Figure 3) .

Nos études et tests jusqu’à présent montrent que le matériau mycélium a une grande résistance (plus fort que le PSE), en même temps que de grandes propriétés d’isolation comme la fibre de verre ou la laine de mouton (conductivité thermique, λ = 0,04 W/mk), des propriétés acoustiques accordables, comme ainsi qu’une grande résistance au feu par rapport aux autres matériaux organiques. L’obtention de caractéristiques similaires ou meilleures que les alternatives composites et plastiques est essentielle pour une adoption massive. D’après notre expérience, il doit y avoir beaucoup de travail éducatif sur le marché car les industries traditionnelles sont généralement lentes à adopter ces nouvelles solutions. Les attributs fonctionnels des matériaux de mycélium peuvent être expliqués dans le contexte de leur application. Par conséquent, les tests comparatifs spécifiques mentionnés précédemment sont essentiels pour la viabilité financière et le transfert de connaissances. Études de preuve de concept avec des universités(Figure 4) ainsi que des clients pilotes contribuent à stimuler les collaborations à un plus large éventail.

Quelle est l’empreinte environnementale du matériau mycélium ?

Une nouvelle classe de biomatériaux produits par la biotechnologie fongique pourrait bientôt remplacer les plastiques, les mousses, les textiles et autres matériaux dérivés des ressources pétrolières[14]. En termes d’empreinte carbone et de durabilité, les produits à base de mycélium ont un avantage sur leurs homologues synthétiques, en particulier dans les applications à usage unique. L’empreinte environnementale est la thèse centrale du matériau à base de mycélium, car on peut en fait dire que la croissance du mycélium est négative en carbone ! Pour parvenir à cette conclusion, nous utilisons une méthodologie appelée analyse du cycle de vie (ACV) qui examine l’ensemble du cycle de vie du produit, du berceau à la tombe. Cette analyse prend notamment en compte tous les matériaux utilisés dans la production, la logistique, l’énergie, le transport, l’emballage et la fin de vie des produits. Chacune de ces étapes et entrées reçoit du CO2 équivalents, ce qui signifie que nous pouvons quantifier la production de CO2 sur l’ensemble du cycle de vie, ainsi que comprendre quelles étapes nécessitent des améliorations pour réduire l’empreinte environnementale du produit.

Mais comment justifier qu’il soit négatif en carbone ? Prenons notre sciure de bois la plus populaire. Chaque kilogramme de bois contient 1,5 kg de CO2 lorsqu’il est libéré, et généralement, il est utilisé comme source d’énergie en le brûlant simplement. Notre production dans son ensemble émet moins de 0,5 kg de CO2 pour 1 kg de champignon. Étant donné que le mycélium lie réellement le carbone, chaque kilogramme contient environ 1 kg de CO2. Pour être juste, à la fin du cycle de vie du produit, le carbone est à nouveau rejeté dans l’environnement. Cependant, comme il est d’origine naturelle et compostable, c’est un aliment pour le sol (par rapport à la plupart de nos matériaux gênants).

Les principaux aspects environnementaux des matériaux en mycélium :

• Une vie après la mort parfaite : 100 % naturel et compostable après utilisation (si vous ne le traitez pas avec des produits chimiques) ;
• Faible production d’énergie : le mycélium se développe à 25 degrés ;
• Économie circulaire : nous utilisons les restes organiques d’autres industries, tels que la sciure de bois, le foin, les anas de chanvre, la bagasse de bière, les déchets de café, etc. ;
• Environnement de vie sûr et naturel, les matériaux en mycélium ne provoquent pas d’allergies ni n’émettent de toxines, le matériau est inerte lorsqu’il est installé dans des conditions relativement sèches et stables.

Pour conclure, les matériaux à base de mycélium introduisent une excellente solution pour le renouvellement et la recyclabilité du carbone à court terme. Le besoin de matériaux durables grandit avec la prise de conscience de la crise dans laquelle nous nous trouvons, qu’elle soit environnementale, économique ou géopolitique. Comme les changements sont douloureux, il est nécessaire de montrer des exemples réussis pour accélérer la période d’adoption. La technologie est là, mais y aura-t-il assez de volonté pour en arriver à un point où, au lieu de construire nos maisons, nous les cultiverons.

Myceen est une entité de recherche et de conception durable axée sur le développement de matériaux à base de mycélium de champignon. Ces matériaux négatifs en carbone et compostables sont cultivés en combinant du mycélium et des sous-produits organiques. Les myco-matériaux peuvent potentiellement remplacer les plastiques et les composites problématiques tout en valorisant les restes d’autres industries.
Se concentrant actuellement sur les meubles et les produits d’intérieur, mais recherchant également l’application potentielle du matériau dans le secteur du bâtiment.

En savoir plus : myceen.com
Écrit par Siim Karro sur Archdaily

Crédit photos : Myceen

Sources :

[1] Vandelook, S., Elsacker, E., Van Wylick, A. et al. État actuel et perspectives d’avenir des matériaux de mycélium pur. Fungal Biol Biotechnol 8, 20 (2021). https://doi.org/10.1186/s40694-021-00128-1

[2] BioMed Central Ltd. Connecter la science des matériaux et la biologie fongique. Springer Nature, 2022. https://www.biomedcentral.com/collections/cmsfb

[3] Ruiz-Herrera, J., & Ortiz-Castellanos, L. (2019). Glucanes des parois cellulaires des champignons. une critique. La surface cellulaire 5, 100022. https://doi.org/10.1016/j.tcsw.2019.100022

[4] Hyde, KD, Xu, J., Rapior, S., Jeewon, R., Lumyong, S., Niego, AGT, … Brooks, S. (2019). L’incroyable potentiel des champignons : 50 façons d’exploiter les champignons de manière industrielle. Diversité fongique. https://doi.org/10.1007/s13225-019-00430-9

[5] Haneef, M., Ceseracciu, L., Canale, C., Bayer, IS, Heredia-Guerrero, JA et Athanassiou, A. (2017). Matériaux avancés à partir de mycélium fongique : fabrication et réglage des propriétés physiques. Rapports scientifiques, 7(1). https://doi.org/10.1038/srep41292

[6] Manan, S., Ullah, MW, Ul-Islam, M., Atta, OM et Yang, G. (2021). Synthèse et applications de matériaux fonctionnels avancés à base de mycélium fongique. Journal of Bioresources and Bioproducts, 6(1), pp. 1–10. https://doi.org/10.1016/j.jobab.2021.01.001

[7] Chambergo, FS, & Valence, EY (2016). De la biodiversité fongique à la biotechnologie. Microbiologie appliquée et biotechnologie, 100(6), pp. 2567–2577. https://doi.org/10.1007/s00253-016-7305-2

[8] Vanden Elsacker, E., De Laet, L., & Peeters, E. (2019). Les matériaux à base de mycélium à l’aube de l’Anthropocène. In Structures and Architecture – Bridging the Gap and Crossing Borders: Actes de la quatrième conférence internationale sur les structures et l’architecture (ICSA 2019), pp. 1083-1090. CRC Press, Taylor & Francis, Boca Raton. https://doi.org/10.1201/9781315229126-129

[9] Zhang, X., Hu, J., Fan, X., Yu, X. (2022). Composite de mycélium cultivé naturellement comme matériau d’isolation durable pour les bâtiments. Journal de la production plus propre, 342, 130784. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.130784

[10] Thoemen, H., & Humphrey, PE (2005). Modélisation des processus physiques pertinents lors du pressage à chaud des composites à base de bois. Partie I. Transfert de chaleur et de masse. Holz Als Roh- Und Werkstoff, 64(1), p. 1–10. https://doi.org/10.1007/s00107-005-0027-2

[11] Pohl, C., Schmidt, B., Nunez Guitar, T. et al. (2022). Implantation du basidiomycète Fomes fomentarius pour la production de matériaux composites. Fongique Biol Biotechnol 9, (4). https://doi.org/10.1186/s40694-022-00133-y

[12] Kuznetsova, I.; Zaitsev, B.; Krasnopolskaya, L.; Teplykh, A.; Semionov, A.; Avtonomova, A.; Ziangirova, M.; Smirnov, A.; En ligneKolesov, V. (2020). Influence de l’humidité sur les propriétés acoustiques des films de mycélium de champignon utilisés comme couches sensibles pour les capteurs d’humidité acoustiques. Capteurs 2020, 20, 2711. http://dx.doi.org/10.3390/s20092711

[13] Cerimi, K., Akkaya, KC, Pohl, C., Schmidt, B. et Neubauer, P. (2019). Les champignons comme source de nouveaux matériaux biosourcés : une revue de brevets. Biologie fongique et biotechnologie, 6 (1). https://doi.org/10.1186/s40694-019-0080-y

[14] Meyer, V., Basenko, EY, Benz, JP, Braus, GH, Caddick, MX, Csukai, M., Wösten, HAB (2020). Développer une économie circulaire avec la biotechnologie fongique : un livre blanc. Biologie fongique et biotechnologie, 7(1). https://doi.org/10.1186/s40694-020-00095-z