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Le, Tuan. Investigation of physical mechanisms during deconstruction of pretreated lignocellulosic matrix and its ability to liberate a fermentable carbon substrate in a bio-process

Le, Tuan (2017). Investigation of physical mechanisms during deconstruction of pretreated lignocellulosic matrix and its ability to liberate a fermentable carbon substrate in a bio-process.

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Résumé en francais

La biomasse lignocellulosique comprend les sous-produits agricoles et industriels pouvant être utilisés comme matière première dans des bioprocédés variés destinés à produire des molécules d'intérêt énergétique ou chimique. Ces ressources lignocellulosiques, peuvent notamment être fournies par l'industrie papetière qui est particulièrement adaptée pour les bio-raffineries modernes car elle est en capacité de produire en grande quantité un substrat ayant une faible teneur en lignine et sans composés inhibiteurs. La bagasse de canne à sucre est également un substrat prometteur par sa composition chimique simple et son abondance dans les pays tropicaux. Lors de l'utilisation de ces substrats, l'hydrolyse enzymatique constitue une étape cruciale permettant la transformation des fibres de cellulose en une source de carbone fermentescible. Si les aspects biochimiques de cette étape d'hydrolyse font l'objet de nombreuses recherches et de développements, les réactions sous haute teneur en matière sèche font apparaître des limitations physiques qui sont beaucoup moins étudiées et analysées mais constituent des verrous scientifiques et technologiques qui freinent actuellement l'utilisation de cette ressource abondante et durable. Ce travail s'inscrit dans ce contexte et propose l'étude de cette étape d'hydrolyse enzymatique de la lignocellulose en s'intéressant conjointement aux aspects biochimiques et physiques de façon à aller vers une compréhension et une maîtrise des transferts (de masse, de chaleur) dans les réactions à forte concentration en substrat. La stratégie adoptée a consisté à réaliser et analyser des réactions d'hydrolyse sous différentes conditions opératoires en travaillant dans un premier temps sur des concentrations intermédiaires (suspension semi-diluée), c'est-à-dire en introduisant, mais de façon limitée, les complexités dues aux interactions entre particules/fibres de lignocellulose. Les résultats obtenus sont ensuite utilisés pour élaborer une stratégie adaptée aux fortes concentrations. Les aspects physiques analysés sont essentiellement le comportement rhéologique du milieu réactionnel ainsi que la morpho-granulométrie des objets en suspension. Différentes métrologies, tant in-situ que ex-situ, ont été mises en œuvre et apportent des résultats complémentaires. Les études ont été menées sur un substrat de référence, le papier Whatman, et deux substrats à vocation industrielle: la pâte à papier et la bagasse de canne à sucre. La stratégie d'étude porte sur les aspects suivants: (i) le suivi de l'évolution des comportements rhéologiques et des propriétés morphologiques des suspensions au cours de l'hydrolyse, (ii) l'étude des mécanismes d'hydrolyse lors de la dégradation des substrats, (iii) l'étude de l'impact de la composition et de la structure des substrats sur les cinétiques de solubilisation et d'hydrolyse, (iv) la quantification de la contribution des différentes activités enzymatiques, seules ou en mélange par une approche physique multi-échelle et (v) le contrôle et l'optimisation des conditions d'alimentation dans un procédé discontinu alimenté (fed-batch) afin d'atteindre des conditions de milieu concentré. Les chapitres 1 et 2 de ce document sont consacrés à une étude bibliographique du sujet et à la présentation des matériels et méthodes mis en œuvre. Le troisième chapitre présente les résultats obtenus et leur analyse. Il est constitué de trois sections: tout d'abord une étude des propriétés des différents enzymes ou cocktail d'enzymes utilisés, des substrats retenus et des suspensions avec, notamment, la détermination des régimes semi-dilués et concentrés. Ensuite sont présentées et analysées les hydrolyses effectuées en milieu semi-dilué. Les mécanismes d'hydrolyse (fragmentation, solubilisation, hydratation et séparation des agglomérats) sont étudiés pour diverses concentrations et divers enzymes/cocktails. Enfin les résultats en milieu concentré sont présentés dans une dernière section. Une stratégie fed-batch est proposée afin d'hydrolyser les substrats lignocellulosiques réels (pâte à papier, bagasse) en condition de haute teneur en matière sèche. Le chapitre 4 présente la conclusion et les perspectives de ce travail.. Les principaux résultats pouvant être mis en avant sont: - La caractérisation du comportement rhéologique et des propriétés morpho granulométrie des substrats et des suspensions lignocellulosiques. La viscosité des suspensions en fonction de la vitesse de cisaillement et de la concentration a été modélisée. - Le rôle des activités enzymatiques individuelles et la synergie entre elles sont signalés par l'approche physique. - L'impact de la distribution de taille et de formes des particules sont quantifiés. - L'indice de la loi en puissance (Loi d'Ostwald-de Waele) a été étudié au cours de l'hydrolyse et démontre l'évolution des comportements rhéologiques sous les actions enzymatiques. - Un phénomène d'"overtaking" (augmentation passagere) de la viscosité a été observé pendant la première étape d'hydrolyse à faible ratio enzyme/substrat (= 10 FPU/g cellulose). L'overtaking est ensuite quantifié et expliqué par les analyses de taille et de forme des particules. - Une définition rationnelle de la vitesse d'ajout pour l'hydrolyse en mode discontinu alimenté (fed-batch) est proposé. Les résultats montrent plus de 65% de rendement glucose pour les hydrolyses (fed-batch) de la bagasse et de la pâte a papier de 100 à 140 gdm/L. - Une courbe unique traduisant la relation entre viscosité et temps adimensionnels est obtenue quelques soient les conditions d'hydrolyse avec la bagasse et la pâte a papier.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Fillaudeau, Luc
To, Kim Anh
Ecole doctorale:Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (SEVAB)
laboratoire/Unité de recherche :Laboratoire d’Ingénierie des Laboratoire Systèmes Biologiques et des Procédés (LISBP), UMR 792
Mots-clés libres :Lignocellulose - Bagasse de canne à sucre - Pâte à papier - Cocktail enzymatique - Activité enzymatique individuelle - Rhéométrie - Viscométrie - Morphométrie - Granulométrie - Distribution de taille - Discontinu (batch) - Discontinu alimenté (fed-batch)
Sujets :Biotechnologies, agronomie
Déposé le :09 Feb 2018 18:19