Thèse soutenue

Extractive bioconversion of 3-hydroxypropionic acid : limiting mechanisms and integrated process optimisation

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Auteur / Autrice : Ana Karen Sanchez Castañeda
Direction : Cristian TreleaViolaine Athès
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Génie des procédés
Date : Soutenance le 24/06/2020
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : AgroParisTech (France ; 2007-....)
Laboratoire : Paris-Saclay Food and Bioproduct Engineering (Massy, Essonne ; 2020-....)
Jury : Président / Présidente : Théodore Bouchez
Examinateurs / Examinatrices : Violaine Athès, Théodore Bouchez, Pascal Dhulster, Marie-Pierre Belleville, Claire Dumas
Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Dhulster, Marie-Pierre Belleville

Résumé

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La sensibilisation croissante au changement climatique a suscité l’intérêt des industries pour réduire leur dépendance aux matières premières d’origine fossile. Dans le cas de l'industrie chimique, cela a augmenté la demande de produits chimiques bio-sourcés, ce qui a déclenché le développement de procédés biotechnologiques innovants et plus sobres. L'acide 3 hydroxypropionique (3-HP) est une molécule plateforme qui peut être produite à partir de la biomasse et peut être convertie en une large gamme de composés chimiques utilisés dans l'industrie des matériaux bio-sourcés comme le poly(3-hydroxypropionate) et les dérivés d’acrylates. L’obtention de 3-HP par voie microbiologique a connu des progrès remarquables, mais sa production commerciale est encore limitée par les faibles productivités dues à la retro-inhibition des microorganismes par leurs produits et des difficultés de récupération et de purification. Couplée en ligne à la bioconversion, l'extraction réactive assistée par un contacteur membranaire, également connue sous le nom de pertraction réactive, est une stratégie prometteuse pour lever les phénomènes d’inhibition et intensifier la bioconversion du 3-HP. Plusieurs verrous restent cependant à lever. Ce travail vise à élucider certains aspects clés pour la conception et la conduite d'un tel procédé intégré. Tout d'abord, le système d'extraction réactive a été étudié à l'échelle de l’interface liquide-liquide en combinant la mesure expérimentale à la modélisation de la tension interfaciale dynamique (IFT) pendant l'extraction du 3-HP, afin de mieux comprendre les mécanismes limitants. Il a été constaté que le transfert de matière près de l'interface n'était pas régi seulement par la diffusion moléculaire, ce qui suggère que des phénomènes tels que les gradients de densité induits par la concentration et les forces de flottabilité associées, ou les gradients de tension interfaciale induits par la concentration et la convection de Marangoni associée, peuvent également jouer un rôle important. Une méthodologie complète pour la sélection d'une composition de phase organique, basée à la fois sur la performance d'extraction et la biocompatibilité avec une souche productrice de 3-HP, Lactobacillus reuteri DSM 17938, a également été développée. L'effet de la nature et de la concentration des solvants sélectionnés a été évalué et a souligné l'importance de trouver un compromis entre le rendement d'extraction, la viscosité et la biocompatibilité par rapport à la souche microbienne utilisée. Enfin, l'intégration de la pertraction réactive avec la bioconversion a été réalisée. Deux souches différentes produisant le 3-HP, L. reuteri DSM 17938 et Acetobacter sp. CIP 58.66, ont été utilisées. Il a été observé que L. reuteri est très sensible aux conditions de pertraction réactive. De plus, le pH de bioconversion n'était pas compatible avec les exigences d'une extraction réactive performante du 3-HP. Dans l'ensemble, la production et l'extraction de 3-HP étaient très limitées lors de cette tentative d'intégration mettant en œuvre L. reuteri. D'autre part, la bioconversion extractive avec Acetobacter sp. a permis d'obtenir de meilleures performances. L'approche intégrée n’a pas réduit significativement les capacités de production élevées de la souche, qui a montré une bonne résistance aux stress cumulés, ce qui en fait un excellent candidat pour la bioconversion extractive. Cependant, un déséquilibre important entre les taux de production et d'extraction a été mis en évidence, entraînant une diminution du pH pendant la production de 3-HP, mais cela a eu un impact limité sur la capacité de bioconversion d'Acetobacter sp. D'autres stratégies d'optimisation ont été explorées en utilisant un modèle mathématique comme outil de simulation. Les informations obtenues tout au long de ce travail ouvrent la voie à la conception d'un procédé intégré de production de 3-HP bio-sourcé intensifié.