Métrologies physiques multi-échelles in-situ et ex-situ pour étudier les mécanismes de déstructuration des matrices lignocellulosiques et les cinétiques de libération de carbone cellulosique fermentescible

In-situ and ex-situ multi-scale physical metrologies to investigate the destructuration mechanisms of lignocellulosic matrices and release kinetics of fermentescible cellulosic carbon

• Auteur / Autrice : Tien Cuong Nguyen
• Direction : Luc Fillaudeau, Kim Anh To
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie Microbienne et Enzymatique
• Date : Soutenance le 21/11/2014
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA en cotutelle avec Institut Polytechnique (Hanoï)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'ingénierie des systèmes biologiques et des procédés (Toulouse) - Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés [LISBP]
• Jury : Président / Présidente : Gerard Goma
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luc Fillaudeau, Kim Anh To, Dominique Anne-Archard, Veronique Coma, Xavier Rouau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Moresoli, Caroline Remond-Zilliox

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomasse -- Conversion

Pâte à papier

Lignocellulose

Biocarburants

Mots clés libres

Bio-raffinage

Morphométrie

Granulométrie

Taille de particule

Ajouts cumulés

Glucose

Bioconversion

Viscosimétrie

Rhéométrie

Limitation de transfert

Déstructuration des fibres

Pâte à papier

Lignocellulose

Bio-refinery

Lignocellulose

Paper-pulp

Fibre destructuration

Transfer limitation

Rheometry

Viscosimetry

Morphometry

Granulometry

Particle size

Cumulative feeding strategy

Glucose

Bioconversion

Résumé

La bioconversion des biomasses lignocellulosiques est actuellement un grand défi pour le développement de technologies de bio-raffinage. Le manque de connaissances des mécanismes de liquéfaction et de saccharification est l’un des principaux facteurs qui pénalisent le développement des procédés de bio-raffinage. Ce travail est centré sur le développement d’analyses physiques et biochimiques in-situ (viscosimétrie, focus beam reflectance measurement) et ex-situ (rhéometrie, granulométrie laser, morphogranulométrie, sédimentation…) pour améliorer la compréhension des mécanismes de déstructuration desfibres lignocellulosiques et caractériser les cinétiques de libération de carbone fermentescible. Des substrats modèles (cellulose microcristalline, papier Whatman) et industriels (pâte à papier, bagasse de canne à sucre) ont été utilisés avec différentes conditions d'hydrolyse (1% à 30%w/v, 0.1 à 0.5mL enzyme/ g cellulose). Les résultats obtenus ont permis:- de proposer et de valider les mesures in-situ de la viscosité de la suspension et de la distribution des longueurs de corde des particules, ainsi que sa conversion en distribution de diamètre.- de montrer l'impact de la nature et de la concentration de substrat et des ratios enzyme/substrat sur les évolutions des paramètres physico-biochimiques lors de l'hydrolyse. Ces effets ont été quantifiés sur les limitations de transfert.- d'établir un modèle phénoménologique de comportement rhéologique des suspensions initiales- de montrer que les cinétiques physico et bio-chimiques sont des cinétiques du second ordre- de montrer que, pour des hydrolyses à haute teneur en matière sèche, on peut réduire considérablement la limitation des transferts liée aux hautes concentrations et contrôler la cinétique de production de glucose par une stratégie d’ajouts cumulés desubstrat.

In the context of biofuels and chemicals production of petroleum substitutes from renewable carbon, bioconversion of lignocellulose biomasses is currently a major challenge. The limited knowledge of liquefaction and saccharification mechanisms stands as the main factor which penalizes bio-refinery progress. The present work is centred on the development of in-situ(viscosimetry, focus beam reflectance measurement) and ex-situ (rheometry, diffraction light scattered, morphometry, decantation…) physical and biochemical analysis to expand our understanding of the destructuration mechanisms of lignocellulose fibres and to characterise the release kinetics of fermentable cellulosic carbon. Model (microcrystalline cellulose,Whatman paper) and industrial (paper-pulp, sugarcane bagasse) lignocellulose matrices under a large range of hydrolysis conditions (1% up to 30%w/v and 0.1 up to 0.5mL enzyme/g cellulose) were studied during 24h hydrolysis experiments (pertinent period to appreciate transfer limitations). Our scientific results allow:- to propose and validate the in-situ measurements of the suspension viscosity and chord length distribution together with its conversion into particle size distribution.- to demonstrate the impact of the substrate nature and concentration and of the enzymatic ratios on the evolution of physical- and biochemical parameters during hydrolysis. Their impacts on transfer phenomena were quantified.- to establish phenomenological models for rheological behaviour of initial suspensions.- to describe all physical (viscosity, particle size) and biochemical (substrate and product) kinetics by second order reaction models.- to demonstrate that, for high dry matter concentration hydrolysis, a cumulative feeding substrate strategy allows considerably reducing the transfer limitations linked to high concentrations and to control the glucose production kinetics.