Conception et optimisation d’un écosystème synthétique microbien pour la production de bio-hydrogène à partir de déchets de l’industrie laitière

Conception and optimisation of minimal synthetic ecosystem for bio-hydrogen production from dairy wastes

• Auteur / Autrice : Mayumi Mete
• Direction : Yves Andres
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et bioprocédés
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et le numérique
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Athena Recherche et Innovation (St Georges sur Loire, France)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Valorisation Energie-matière des Résidus et Traitement des Emissions - Département Systèmes Energétiques et Environnement
• Jury : Président / Présidente : Eric Trably
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Andres, Audrey Soric, Etienne Paul, Anne Jamois-Tremier, Romain Irague, Cyrille Grandjean
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Audrey Soric, Etienne Paul

Mots clés

Mots clés contrôlés

Industrie laitière

Méthanisation

Génération d'hydrogène

Mots clés libres

Bio hydrogène

Coculture

Enrichissement

Déchets laitiers

Fermentation sombre

Biohydrogen

Coculture

Dairy wastes

Dark fermentation

Enrichment

Résumé

Le fermentation sombre de déchets laitiers présente une solution concrète aux problématiques environnemental. Le procédé de référence d’Athena Recherche et Innovation se base sur une culture pure de Clostridium beijerinckii environnementale pour la production d’H2 à partir de déchets laitiers. Pour améliorer ces performances, une coculture a été construite. Une étape de prétraitements et d’enrichissement par cycle de culture-repiquage, a permis d’identifier 33 organismes positivement corrélés à de bons rendements et de fortes productivités. 7 de ces organismes ont été isolés, et classés en fonction de leur abondance relative précédente. Le criblage de coculture à partir des 4 organismes majoritaires a mis en avant la coculture de Clostridium butyricum et Clostridium tertium. Le rendement obtenu lors le criblage était proche du rendement maximal théorique. Mais en bioréacteur, la coculture était moins performante et n’a pas permis d’améliorer les performances du procédé actuel. Une seconde étape de criblage a été réalisé pour inclure les organismes minoritaires à cette coculture. L’addition de Paenibacillus polymyxa, et Rummeliibacillus pycnus a permis d’augmenter la production cumulée d’H2, la productivité et le rendement de respectivement de 28, 48 et 30%, mettant ainsi en avant l’importance d’organismes présents en plus faible abondance dans une population microbienne. Le rendement obtenu dépassait le rendement théorique maximal. Même si les performances de C. butyricum, C. tertium, P. polymyxa, et R. pycnus sont moins élevées en bioréacteur, elle représente toujours une amélioration de 28% la production cumulée d’H2, et de 9% la productivité maximale du procédé actuel.

Dark fermentation of dairy waste offers a concrete solution to environmental problems. Athena Recherche et Innovation's reference process is based on a pure culture of an environmental Clostridium beijerinckii strain for the production of H2 from dairy waste. To improve its performance, a co-culture was built. A pre-treatment and enrichment step by successive cultures identified 33 organisms positively correlated with good yields and high productivity. 7 of these organisms were isolated and ranked according to their previous relative abundance. Co-culture screening using 4 major organisms highlighted the co-culture of Clostridium butyricum and Clostridium tertium. The yield obtained in the screening was close to the theoretical maximum yield.In the bioreactor, however, co-culture was less effective and did not improve the performance of the current process. A second screening step was carried out to include minor organisms in this coculture. The addition of Paenibacillus polymyxa and Rummeliibacillus pycnus increased cumulative H2 production, productivity and yield by 28, 48 and 30% respectively, highlighting the importance of organisms present in lower abundance in a microbial population. The yield obtained exceeded the theoretical maximum. Although the performance of C. butyricum, C. tertium, P. polymyxa and R. pycnus is lower in the bioreactor, it still represents a 28% improvement in cumulative H2 production, and a 9% increase in the maximum productivity of the current process.