Etude d'un procédé chromatographique d'échange d'ions pour la séparation de la ribulose 1,5-diphosphate carboxylase (Rubisco) dans le cadre de la valorisation d'un sous produit agricole

Study of an anion exchange process for Ribulose 1,5-Biphosphate Carboxylase Oxygénase (Rubisco) recovery from raw agro-material

• Auteur / Autrice : Syrine Kerfai
• Direction : Maria Aurora Fernandez, Stéphane Mathé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 18/03/2011
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'ingénierie des systèmes biologiques et des procédés (Toulouse)
• Jury : Président / Présidente : Marie laure Lameloise
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maria Aurora Fernandez, Stéphane Mathé, Pierre Yves Pontalier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mario Diaz, Laurence Muhr

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chromatographie en phase liquide

Chromatographie par échange d'ions

Mots clés libres

Procédés chromatographiques

Valorisation sous-produits agricoles

Echange d’ions

Lit expansé

Rubisco

Milieu brut

Milieu complexe

Chromatographic processes

Ion exchange

Expanded bed

Rubisco

Crude extract

Complex medium

Agro-food by-product recovery

Résumé

Les milieux biologiques bruts, provenant des opérations de transformation de biomasse sont souvent caractérisés à la fois par leur caractère polluant et par un potentiel de valorisation important. Le développement de procédés adaptés au traitement de tels milieux complexes présente ainsi beaucoup d’intérêt. Les jus verts générés par la déshydratation de la luzerne (Medicago Sativa) sont caractérisés par une forte teneur en protéines. Outre leur valeur nutritionnelle importante, ces protéines ont des applications potentielles dans plusieurs domaines, notamment environnemental de part leur teneur élevée en Ribulose 1,5 Bisphosphate Carboxylase Oxydase (Rubisco), enzyme responsable de la fixation du CO2 chez les plantes. Dans ce travail la séparation sélective de la Rubisco à partir du jus de luzerne industriel centrifugé par chromatographie d’échange d’ions a été étudiée. Dans un premier temps une méthode d’analyse qualitative et quantitative a été mise au point pour la détection et la quantification de la Rubisco en solution et ainsi le suivi du procédé de séparation. Dans un deuxième temps, le procédé de séparation a été étudié en colonne, en lit fixe et en lit expansé, en utilisant le support échangeur d’anions Q Hyper Z et l’effet de la dilution du milieu sur la capacité dynamique du procédé a été analysé dans les deux cas. Les résultats obtenus ont montré que les deux modes de contact permettent d’avoir des capacités dynamiques de rétention du même ordre de grandeur que celles de la littérature. Après élution, la Rubisco a été concentrée jusqu’à 21 fois et les fractions produites étaient caractérisées par un grand degré de pureté. Par ailleurs, des études d’équilibre et cinétique d’échange ont été initiées dans ce travail et ont démontré que malgré la taille importante de la protéine d’intérêt (560 kDa) les limitations stériques à son transfert ne sont pas plus importantes que dans le cas de protéines plus simples et plus petites et que le support Q Hyper Z présente effectivement une grande affinité pour la protéine. Enfin une première approche théorique a été conduite pour la compréhension des interactions entre la protéine et l’échangeur dans ce milieu complexe. Elle a permis de confirmer l’importance de la prise en compte de la présence d’autres biomolécules dans le milieu sur la rétention de la Rubisco, peut être même plus que celle des sels

Biological raw material derived from bio-refinery processes, is often considered a source of pollution but it seems also to be a promising alternative to potential material recovery. The development of suitable processes for handling such complex biological material has so many concerns. Green juice produced from mechanical dehydration of Alfalfa (Medicago sativa) is an excellent source of protein with high nutritional quality. Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase oxygenase (Rubisco) is the most abundant protein in the green juice, with potential applications in many fields, such as human nutrition, pharmaceuticals, environmental… The aim of this study is to isolate and recover Rubisco produced from an industrial alfalfa green juice, by ion exchange chromatography process. First of all, a qualitative and quantitative analytical method was developed to provide reliable information about Rubisco content monitoring in the separation process. In a second step, the separation process was performed in fixed and expanded bed, using the anion exchanger Q Hyper Z. In both cases, the effect of the dilution of the green juice on the dynamic capacity of the columns was studied. The results showed that the dynamic capacity retention was similar in both columns to those reported in literature. After elution step, Rubisco was concentrated 21 times and produced with high level of purity. Furthermore, kinetic of ion exchange study was initiated. Despite the large size of the protein (560 kDa), steric limitations to mass transfer were not very significant when compared to those of conventional small proteins. The support Q Hyper Z showed an excellent affinity for the protein recovery. Finally, a first theoretical investigation has been conducted for understanding the retention mechanism between the protein and the separation column. This study shows the importance of taking into account the presence of other bio-molecules in order to perform the retention of Rubisco, perhaps even more than that of salts