Etude la compétition entre homoacétogènes et méthanogènes hydrogénotrophes dans des cultures mixtes anaérobies pour la production d'acétale à partir de H2/CO2 : une approche expérimentale et dé modélisation

Study of the microbial competition between homoacetogens and hydrogenotrophic methanogens in aerobic mixed cultures for acetate production from H2/CO2 : an experimental and modelling approach

• Auteur / Autrice : Léa Laguillaumie
• Direction : Etienne Paul, Claire Dumas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 09/09/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering - Toulouse Biotechnology Institute / TBI
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Roche
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hariklia Gavala, Jean-Philippe Delgenes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Théodore Bouchez, Ramon Ganigue, Mohammad Taherzadeh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthanisation

Méthanogènes

Thermodynamique

Bioréacteurs

Mots clés libres

Réduction du CO2

Compétition microbienne

Production d'acétate

Bioréacteurs

Modélisation

Thermodynamique

CO2 reduction

Microbial competition

Acetate production

Bioreactors

Modeling

Thermodynamics

Résumé

Le captage du dioxyde de carbone (CO2) est un enjeu majeur pour développer une économie bas carbone. De plus, la réduction du CO2 permet la synthèse de molécules plateformes pour l’industrie de la chimie et de l’énergie. Les cultures mixtes anaérobies contiennent des micro-organismes homoacétogènes (HAC) capables de réduire le CO2 en acétate. Cependant, un des freins à leur utilisation est la compréhension et le contrôle de leur diversité fonctionnelle. Notamment, la gestion de la compétition entre les HAC et les méthanogènes hydrogénotrophes (HM) qui convertissent le CO2 en méthane est cruciale pour produire de l’acétate.L’étude contribue à apporter de nouvelles connaissances sur la compétition entre les HAC et les HM. Pour cela, des notions de transfert de matière entre la phase gaz où se situent les substrats, et la phase liquide qui contient les catalyseurs microbiens (G/L), ainsi que des aspects cinétiques et thermodynamiques des réactions biologiques ont été intégrés.La compétition microbienne a été étudiée à partir de données provenant d’un réacteur de méthanation biologique ex situ de H2/CO2, en culture mixte et thermophile. En parallèle, un travail de modélisation des croissances microbiennes propres à chaque micro-organisme a été réalisé afin d’étudier leur comportement en réacteur batch et continu. Le maintien d’une vitesse de transfert G/L supérieure à la vitesse de consommation des gaz est apparu déterminant pour promouvoir la croissance des HAC. Ces résultats de modélisation, couplant cinétiques microbiennes et thermodynamique de réactions, ont permis d’identifier des environnements favorables à la sélection des HAC. Ils ont ensuite été confrontés à un plan expérimental afin d’étudier le système en conditions réelles.Dans le cadre du plan expérimental, des réacteurs batchs, puis continus, à 25 °C et 35 °C ont été mis en place. En batch, la levée de la limitation par le transfert de gaz, ainsi que l’abaissement de la température à 25 °C ont permis de sélectionner des cultures mixtes anaérobies pour la fonction HAC en éliminant les méthanogènes, après quatre batchs successifs de 4 à 6 jours chacun.En réacteurs continus, l’effet du pH entre 5 et 7 et du taux de dilution entre 0.1 et 1 j-1 a été étudié. A pH neutre, une productivité en acétate significative de 296 mmolC.L-1.j-1 a pu être observée sur plusieurs temps de séjour. Par ailleurs, l’abaissement du pH à 5 n’a pas permis d’éliminer les HM. En revanche, une zone de taux de dilution critique des HM a pu être identifiée entre 0.25 et 0.38 j-1, tandis que les HAC ont été maintenus dans le réacteur jusqu’à la valeur maximale testée de 1 j-1.De manière intéressante, le modèle a permis de montrer que ces réacteurs n’ont pas été limités par le transfert G/L, mais par la thermodynamique de réaction, fixant ainsi une concentration maximale en acétate, qui impose la vitesse de consommation des gaz. Ces résultats démontrent le potentiel de l’utilisation de réacteurs continus pour lessiver les méthanogènes et sélectionner les HAC sur H2/CO2 en culture mixte anaérobie. Grâce à un travail d’optimisation du milieu de culture pour les HAC, la culture mixte a pu être enrichie jusqu’à 75 % en C. autoethanogenum, après l’ajout de vitamines dans le milieu de culture. A 25 °C, la production d’éthanol et l’élongation en butyrate et hexanoate ont pu être observées, bien que minoritaires.Lors de cette étude, un modèle adaptable permettant de décrire la compétition microbienne a été développé. Il a permis de montrer les différents types de limitations du système : le transfert G/L, la thermodynamique des réactions, ou les nutriments de la phase liquide. La compréhension du système a permis le développement de techniques d’enrichissement des cultures mixtes en HAC. Ces résultats constituent une base de données pour l’optimisation de la production de molécules plateformes à partir de H2/CO2, sans recours à des inhibitions chimiques ou thermiques des HM.

Capturing carbon dioxide (CO2) is a major challenge for developing a low-carbon economy. In addition, the reduction of CO2 allows the synthesis of platform molecules for the chemical and energy industry. Anaerobic mixed cultures contain homoacetogenic microorganisms (HAC) capable of reducing CO2 to acetate. However, one of the obstacles to their use is the understanding and control of their functional diversity. In particular, managing the competition between HACs and hydrogenotrophic methanogens (HMs) that convert CO2 into methane is crucial to produce acetate.The study contributes to bring new knowledge on the competition between HAC and HM. For this, notions of mass transfer between the gas phase where the substrates are located, and the liquid phase which contains the microbial catalysts (G/L), as well as kinetic and thermodynamic aspects of biological reactions have been integrated.Microbial competition was studied using data from an ex situ biological methanation reactor of H2/CO2, in mixed and thermophilic culture. In parallel, microbial growth modeling work specific to each microorganism was carried out in order to study their behaviour in batch and continuous reactors. Maintaining a G/L mass transfer rate higher than the gas consumption rate appeared decisive to promote the growth of HACs. These modeling results, coupling microbial kinetics and thermodynamics of reactions, made it possible to identify favourable environments for HAC selection. They were then confronted with an experimental plan in order to study the system in real conditions.As part of the experimental plan, batch and then continuous reactors at 25°C and 35°C were set up. In batches, the lifting of the limitation by the transfer of gas, as well as the lowering of the temperature to 25°C made it possible to select mixed anaerobic cultures for the HAC function by eliminating the methanogens, after four successive batches of 4 to 6 days each.In continuous reactors, the effect of pH between 5 and 7 and dilution rate between 0.1 and 1 d-1 has been studied. At neutral pH, a significant acetate productivity of 296 mmolC.L-1.d-1 could be observed over several residence times. Moreover, lowering the pH to 5 did not eliminate the HMs. On the other hand, a zone of critical dilution rate of the HMs could be identified between 0.25 and 0.38 d-1, while the HACs were maintained in the reactor up to the maximum tested value of 1 d-1.Interestingly, the model showed that these reactors were not limited by the G/L mass transfer, but by the reaction thermodynamics, thus setting a maximum acetate concentration, which imposes the gas consumption rate. These results demonstrate the potential of using continuous reactors to wash out methanogens and select HAC on H2/CO2 in anaerobic mixed cultures. Thanks to a work of optimization of the culture medium for the HAC, the mixed culture could be enriched up to 75% in C. autoethanogenum, after the addition of vitamins in the culture medium. At 25°C, the production of ethanol and the elongation in butyrate and hexanoate could be observed, although minor.During this study, an adaptable model allowing to describe the microbial competition was developed. It made it possible to show the different types of limitations of the system: the G/L mass transfer, the thermodynamics of the reactions, or the nutrients of the liquid phase. Understanding the system has allowed the development of techniques for enriching mixed cultures with HAC. These results constitute a database for the optimization of the production of platform molecules from H2/CO2, without recourse to chemical or thermal inhibitions of HMs.