Bio-based production of 3-hydroxypropionic acid : dynamic modeling, design and optimization of an integrated extractive fermentation process

par Pedro Arana Agudelo

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Violaine Athès, Ioan Cristian Trelea et de Marwen Moussa.

Soutenue le 01-12-2022

à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....) , en partenariat avec AgroParisTech (France ; 2007-....) (référent) , Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-....) (graduate school) et de Paris-Saclay Food and Bioproduct Engineering (Massy, Essonne ; 2020-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Luc Marchal.

Le jury était composé de Sandrine Alfenore, Jan Van Impe.

Les rapporteurs étaient Sandrine Alfenore, Jan Van Impe.

mots clés

• Bioconversion
• Extraction liquide-Liquide réactive
• Procédés extractifs intégrés
• Modélisation mécanistique
• Optimisation multicritère
• Procédés de fabrication -- Qualité -- Contrôle
• Produits biosourcés -- Biotechnologie -- Modèles mathématiques -- Tests
• Biomasse -- Conversion

Titre traduit

Production d’acide 3-hydroxypropionique bio-sourcé : modélisation dynamique, optimisation et dimensionnement d’un procédé intégré de fermentation extractive

Résumé

En raison des enjeux environnementaux liés à l’exploitation des ressources fossiles, la production biologique bio-sourcée d’acide 3-hydroxypropionique (3-HP) est prometteuse car cette molécule est un précurseur de synthèse de produits jusqu’à présent obtenus uniquement par voie pétrochimique, notamment l’acide acrylique.Le principal frein pour la production biologique de 3-HP, de même que pour d’autres acides organiques, reste les performances dégradées par l’effet inhibiteur de ces molécules ainsi que du pH acide sur les microorganismes. Cette limitation peut être palliée par l’intégration des procédés biologiques avec des procédés d’extraction en ligne. Néanmoins, la conduite des procédés intégrés est complexe, et leur mise au point demande d’importants efforts expérimentaux.Ce projet s’intéresse à l’exploration d’un procédé extractif pour la production de l’acide 3-HP par une approche de modélisation mécanistique. Le but est de proposer des scénarios de conduite optimisée d’un procédé comportant une étape de bioconversion de 1,3-propanediol (1,3-PDO) en utilisant des bactéries acétiques, couplée à un procédé d’extraction liquide-liquide réactive en contacteurs membranaires.Des modèles mécanistiques de chaque étape ont ainsi été proposés et validés à l’aide de résultats expérimentaux. Une attention particulière a été portée à la prédiction du pH dans des milieux complexes. Un modèle du procédé intégré a été finalement développé et utilisé pour explorer des scenarios d’optimisation multicritère afin d’identifier les conditions opératoires les plus prometteuses. La modélisation apparait comme un outil précieux facilitant l’exploration rapide d’un grand nombre de scenarios tout en allégeant le travail expérimental.

mots clés

• Bioconversion
• Reactive liquid-Liquid extraction
• Integrated extractive processes
• Mechanistic modeling
• Multicriteria optimization

Résumé

In view of the environmental issues related to the use of fossil resources, the biological bio-based production of 3-hydroxypropionic acid (3-HP) is promising as this molecule is a precursor to the synthesis of other molecules produced so far via petrochemical routes, especially acrylic acid.The most important challenge to the production of 3-HP, and other organic acids, through biological processes is the performances degradation due the inhibitory effects of these products and low pH values on microorganisms. This limitation can be addressed by the integration of bioconversion and in-stream extraction processes. Nevertheless, operating extractive bioprocesses is challenging, and their development demands significant experimental efforts.This project focuses on the exploration of an integrated process for 3-HP the production by a modeling approach. The aim is to propose optimized operating scenarios of a process including the bioconversion of 1,3-propanediol into 3-HP, integrated to a reactive liquid-liquid extraction process assisted by membrane contactors.Initially, mechanistic models were proposed and validated using experimental data. A special attention was paid to the prediction of pH in complex media. Finally, a model of the integrated process was developed and used to explore multicriteria optimization scenarios aiming to identify the most promising operating policies. Mechanistic modeling proved to be a valuable tool to facilitate the quick exploration of many scenarios and greatly reduces the experimental work.