Etude de la diversité moléculaire des oligosaccharides solubles d’hémicellulose issus d’autohydrolysats de bois

Study of the molecular diversity of soluble hemicellulose oligosaccharides from wood hydrolysates

• Auteur / Autrice : Juliette Francillon
• Direction : Christine Chirat, Claire Boisset-Helbert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 25/06/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés pour la bioraffinerie, les matériaux bio-sourcés et l’impression fonctionnelle (Grenoble, Isère, France ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Baup
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ana Paula Duarte, Pierre-Yves Pontalier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ultrafiltration

Charbon actif

Oligosaccharides

Hémicellulose

Bois -- Chimie

Mots clés libres

Bioraffinerie

Chimie du Bois

Hémicelluloses

Oligosaccharides Solubles

Charbon Actif

Ultrafiltration

Biorefinery

Wood Chemistry

Hemicelluloses

Soluble Oligosaccharides

Activated Charcoal

Ultrafiltration

Résumé

La définition de nouveaux modes de consommation et la fin progressive de l’ère pétrolière s’imposent à nous comme piliers pour assurer un avenir soutenable aux générations futures. C’est dans ce sens que la bioraffinerie au sens large a un rôle majeur à jouer aujourd’hui et qu’elle a été désignée comme concept clé d’exploitation durable d’une ressource renouvelable qu’est la biomasse végétale pour la production d’énergie, de matériaux et de produits chimiques, mais aussi de produits pour l’alimentation animale et la santé humaine. Dans ce contexte, cette thèse vise à valoriser les hémicelluloses du bois dans le cadre d’une bioraffinerie lignocellulosique intégrée à la production de fibres de cellulose. Ces hétéropolysaccharides complexes représentent 30% du bois et sont les deuxièmes biopolymères les plus abondants sur terre. Dans ce projet, ils sont donc extraits par solubilisation en amont du procédé papetier par un prétraitement nommé autohydrolyse. Ce traitement relativement propre car consommant peu d’énergie et n’utilisant aucun produit chimique, est choisi pour la production d’hémicelluloses à partir de mélanges de copeaux de bois industriels de feuillus et de résineux. Il s’agit du seul moyen de production d’hémicelluloses issue du bois déjà utilisé à échelle industrielle. La caractérisation des hydrolysats résultants est complexe car ils contiennent des composés de nature chimique très différente dont la composition varie grandement avec l’essence de bois et la sévérité du traitement. Le principal objectif de cette thèse est de définir un schéma de méthodes analytiques applicable et adaptable à tout type d’hydrolysat, afin d’en isoler et cartographier les familles d’hémicelluloses.L’étude de la diversité moléculaire des oligosaccharides solubles contenus dans ces autohydrolysats de bois, produits à basse et haute température (150 et 170°C), passe par plusieurs étapes de purification et d’analyse. D’abord les oligomères sont classés et séparés des impuretés en fonction de leur taille grâce à l’emploi de l’ultrafiltration membranaire. Puis la lignine et les produits de dégradation des sucres formés lors de l’autoprotolyse sont éliminés des hydrolysats par adsorption sur des grains de charbon actif. L’optimisation et la combinaison de ces deux techniques de purification adaptées à l’essence de bois et la température d’extraction utilisées permettent ainsi d’obtenir des mélanges d’oligosaccharides moins polydispersés que l’hydrolysat de départ et purs en oligosaccharides d’hémicelluloses à 99%. Cependant ces traitement engendrent des pertes en oligosaccharides, de l’ordre de 70 à 80% en masse sèche par rapport à l’hydrolysat de départ. Elles sont dues à l’adsorption sur le charbon actif ou au passage à travers les pores des membranes de filtration. Ces mélanges sont donc plus aptes à être fractionnés par chromatographie liquide d’exclusion stérique et analysés par spectrométrie de masse. Il s’agit de la dernière partie expérimentale de cette étude. La chromatographie d’exclusion stérique a notamment permis la quantification et la séparation entre oligomères chargés d’acides hexuroniques et oligomères neutres à la fois des hydrolysats de feuillus et de résineux produits à haute température. Pour certaines fractions l’élimination des complexes lignine hydrates de carbone récalcitrant à l’adsorption au charbon actif a pu être réalisée ainsi que l’isolation de certaines molécules bioactives de faible degré de polymérisation (valorisables en produits nutraceutiques).Mots clés : Bioraffinerie, Autohydrolyse, Hémicelluloses, Oligosaccharides Solubles, Chimie du Bois, Chimie Analytique, Charbon Actif, Ultrafiltration, GFC, MALDI-TOF MS, GC-FID, HPAEC-PAD

Facing climate change and the near end of the oil age led us to rethink our consumption patterns and energy models, to insure a sustainable future four human beings. In this way, the biorefinery plays an important role and is a key concept to bring a part of the solution, exploiting the potential of biomass, which is renewable and widely available, for energy production and chemicals, materials, human health, and agri-food products manufacturing. Hence, this project aims at valorizing wood hemicelluloses in the frame of a lignocellulosic biorefinery integrated in a kraft pulp mill. These are complex heteropolysaccharides accounting of one third of wood and the second most abundant biopolymer on earth. Both softwood and hardwood chips industrial mixtures are used for hemicelluloses oligomers extraction prior to the kraft process through a low-tech and green process (without using any chemicals) named autohydrolysis. This pretreatment step allows for the solubilization of oligosaccharides, monosaccharides, lignin fragments and other small molecular weight organic compounds and is the only one used at an industrial scale to produce hemicelluloses from wood. The chemical composition of these wood hydrolysates depends much on wood species and autohydrolysis severity. The main objective of the thesis is to design a sort of universal scheme of analytical methods that can be applied to any kind of hydrolysate in order to identify, quantify and isolate its hemicelluloses families.The study of the molecular diversity of soluble oligosaccharides containing liquors produced at high and low temperature (150 and 170°C) is based on several purifications’ steps before analysis. First of all, membrane filtration is used with different molecular weight cut-offs to classify and separate oligomers from impurities according to their size. In a second part, soluble lignin and sugar degradation products generated during autohydrolysis are removed by adsorption on activated charcoal. Less polydisperse and 99% pure oligosaccharides mixtures are thus obtained thanks to the optimization and combination of these two techniques of purification. Nevertheless, big losses of hemicelluloses are triggered by these treatments between 70 and 80% compared to the raw hydrolysate. In the end, the last chapter of experiments deals with the final purification and characterization steps of these purified samples which are performed by size exclusion liquid chromatography and mass spectrometry analyses. This chromatographic technique operating at low pressure is an interesting tool for the separation of neutral oligomers from hexuronic acid substituted oligomers in both hardwood and softwood extracts produced at high temperature. Also, elimination of recalcitrant lignin carbohydrates complexes was achieved for some fractions as well as the isolation of specific bioactive molecules of low degree of polymerization (potential nutraceutical applications).Key words : Biorefinery, Hemicelluloses, Soluble Oligosaccharides, Wood Chemistry, Analytical Chemistry, Activated Charcoal, Ultrafiltration, GFC, MALDI-TOF MS, GC-FID, HPAEC-PAD