Modélisation cinétique de l'hydrolyse enzymatique de biomasse lignocellulosique

Kinetic modeling of enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass

• Auteur / Autrice : Maïté Huron
• Direction : Dominique Lachenal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique
• Date : Soutenance le 22/10/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire de génie des procédés pour la bioraffinerie, les matériaux bio-sourcés et l’impression fonctionnelle (Grenoble ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Claude Sigoillot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Lachenal, Xavier Cameleyre, Damien Hudebine, Nicolas Lopes Ferreira
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joël Albet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bioéthanol

Enzymes

Lignine

Cellulose

Hydrolyse

Mots clés libres

Hydrolyse

Cellulose

Lignine

Enzymes

Cinétique

Bioéthanol

Hydrolysis

Cellulose

Lignin

Enzymes

Kinetic

Bioethanol

Résumé

Le bioéthanol 2G est une alternative viable aux carburants d'origine fossile et de nombreux projets industriels travaillent aujourd'hui à sa mise au point. Il est produit par fermentation des sucres contenus dans la biomasse lignocellulosique (résidus forestiers, résidus agricoles, cultures dédiées…). Ces sucres sont extraits de la biomasse lors d'une étape d'hydrolyse enzymatique, qui fait actuellement partie des points importants à optimiser pour rendre le procédé plus compétitif.L'objectif de cette thèse était de mieux définir les mécanismes mis en jeu lors de l'hydrolyse enzymatique de la lignocellulose afin d'élaborer un modèle prédictif des principaux phénomènes impliqués. Une étude expérimentale menée sur une cellulose de référence (cellulose Avicel) et sur une paille de blé prétraitée par explosion à la vapeur a permis de mieux cerner la réactivité des substrats lignocellulosiques. Les données obtenues ont apporté un nouvel éclairage sur les phénomènes d'adsorption et la perte de vitesse d'hydrolyse au cours du temps. Un focus particulier a été fait sur le rôle de la présence de lignine et sur la modification de la morphologie du substrat au cours de la réaction. Il a ainsi été montré que dans nos conditions, la lignine n'impactait pas la réactivité de la paille de blé explosée vapeur.L'ensemble de ces résultats a été exploité pour développer un modèle cinétique prédictif de l'hydrolyse. Ce modèle distingue l'action des principales enzymes utilisées pour l'hydrolyse (cellobiohydrolases, endoglucanases, β-glucosidases), prend en compte les phénomènes d'inhibition et de synergie entre ces enzymes et s'attache à décrire l'évolution de la morphologie de la cellulose. Il permet de prévoir l'évolution au cours de l'hydrolyse d'un certain nombre de paramètres (degré de polymérisation, surface, enzymes libres) et d'estimer l'effet d'un changement de ratio entre les enzymes du cocktail. Il a été validé sur cellulose Avicel mais doit encore être étendu à des substrats plus complexes comme la paille explosée vapeur.

Many industrial projects are working on 2nd generation bioethanol, which is an promising alternative to fossil biofuels. To achieve its production, lignocellulosic biomass is first pretreated to increase the accessibility of the cellulosic fraction and further hydrolyzed by cellulolytic enzymes to convert cellulose into glucose. Glucose is then converted into ethanol during a fermentation step performed by yeast. In this production scheme, enzymatic hydrolysis is one of the key bottlenecks and should be improved to make the process economically viable.The objective of this PhD thesis was to better understand the mechanisms involved in enzymatic hydrolysis of lignocellulose in order to integrate the main descriptors into a detailed kinetic model. An experimental study was carried on cellulose (Avicel) and steam exploded wheat straw. Enzymes adsorption, decrease of hydrolysis rate, role of lignin and morphology modification of the substrate during hydrolysis were studied. It allowed a better understanding of the parameters that impact the enzymatic hydrolysis.These results were used to develop a kinetic model of the enzymatic hydrolysis. The distinct actions of the main enzymes involved in hydrolysis (cellobiohydrolases, endoglucanases and β-glucosidases) were detailed. The synergy and inhibition phenomena and the evolution of the morphology of the cellulosic substrate were also integrated. This model predicts the evolution of different parameters during reaction time (polymerization degree, enzymes adsorbed, surface area) and the impact of the enzymes ratio on the efficiency of the cocktail. The model was validated on Avicel cellulose but still has to be extended to more complex substrates such as steam exploded wheat straw.