Voies biotechnologiques pour l'obtention de composés à haute valeur ajoutée à partir de la biomasse résiduelle

Biotechnological Routes for obtaining high-added value compounds from residual biomass

• Auteur / Autrice : Marcelo Avelar do Nascimento
• Direction : Ivaldo Itabaiana, Rodrigo Octavio Mendonça Alves de Souza
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie théorique, physique, analytique
• Date : Soutenance le 29/11/2023
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut en cotutelle avec Universidade federal do Rio de Janeiro
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UCCS - Unité de Catalyse et Chimie du Solide - Unité de Catalyse et Chimie du Solide - UMR 8181 / UCCS
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ivaldo Itabaiana, Rodrigo Octavio Mendonça Alves de Souza, Viridiana Ferreira-Leitao, Raoni Schroeder Borges Gonçalves, Robert Wojcieszak, Almudena Marti, Mohamed Nawfal Ghazzal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Viridiana Ferreira-Leitao

Mots clés

Mots clés contrôlés

Glucides

Lipases

Catalyse homogène

Catalyse hétérogène

Biocatalyse

Mots clés libres

Lipases

Transestérification

Glucides

Biomasse

Lipases

Transesterification

Carbohydrate

Biomass

Résumé

Chaque année, des milliards de tonnes de biomasse lignocellulosique sont générées, et seule une petite partie est réutilisée, couramment utilisée comme nourriture et/ou à des fins énergétiques et matérielles. Par conséquent, de nouvelles stratégies sont nécessaires pour valoriser ces matières premières, car la biomasse est une excellente matière première alternative pour obtenir des produits chimiques d'intérêt à partir de ressources renouvelables. Dans cette tendance, une autre alternative prometteuse est l'application d'enzymes en conjonction avec la chimie synthétique pour explorer de nouveaux produits d'intérêt industriel. Parmi les produits de la pyrolyse rapide se trouve le bio-huile, dont le composant principal est le lévoglucosane (1,6 anhydroglucopyranose), un sucre anhydre utilisé comme élément de base pour divers composés d'intérêt industriel. Ce glucide anhydre peut être acylé pour obtenir des esters d'acides gras de glucides (CFAE) ayant un équilibre hydrophile-lipophile très apprécié en tant que tensioactifs. Dans cette étude, du lévoglucosane commercial (LGCom) et du lévoglucosane obtenu à partir de la pyrolyse de la cellulose (BoE) ont été acylés par transestérification/estérification en utilisant divers donneurs d'acyl dans des systèmes en continu et en batch catalysés par des lipases libres et immobilisées en présence de différents solvants organiques. De plus, nous avons démontré, pour la première fois, l'acylation directe du BoE et l'influence de l'acétonitrile (ACN) et du cyrène (CYE) sur la stabilité de la lipase Candida Rugosa (CR) et de la lipase Candida antarctica B (CalB) en utilisant la fluorimétrie à balayage différentiel. Nous avons également étudié l'effet de la chaîne alkyle pour la synthèse des CFAE à différentes concentrations de substrat. Dans la réaction en batch utilisant LGCom comme substrat, des conversions et une sélectivité optimales ont été obtenues avec différents donneurs d'acyl, préparés in situ en utilisant une stratégie intégrée médiée par les lipases commerciales Novozym®435 (N435), PSIM et le biocatalyseur fait maison CaLB_epoxy. En conséquence, tous les biocatalyseurs ont principalement produit des esters d'acides gras de glucides (CFAE) avec différentes sélectivités. Dans la réaction en batch utilisant BoE, les meilleurs résultats ont été obtenus avec N435 dans l'ACN, avec le donneur d'acyl éthyl octanoate (C8) atteignant une conversion de 74%. Les profils de stabilité thermique de CalB et CR ont suggéré une stabilité accrue dans le CYE, avec des valeurs de point de fusion de la protéine (Tm) de 61°C pour CalB et de 53°C pour CR. À partir des paramètres cinétiques obtenus à partir des constantes de Michaelis-Menten, une inhibition par le substrat LG a été indiquée. Dans le système en continu, une augmentation de la productivité de plus de 100 fois a été obtenue par rapport au système en batch dans toutes les comparaisons. Enfin, les CFAE ont été testés pour la tension interfaciale et l'activité biologique. Des données prometteuses ont été obtenues pour la concentration inhibitrice minimale (CIM) et la concentration bactéricide minimale (CBM) de MONLAU contre les souches de Staphylococcus aureus à 0,25 mM

Annually, billions of tons of lignocellulosic biomass are generated, and only a small part is reused,commonly used as fodder and/or for energy and material purposes. Therefore, new strategies are necessary to add-value to these commodities since biomass is an excellent alternative raw material for obtaining chemical products of interest from renewable resources. In this trend, another promising alternative is the application of enzymes in conjunction with synthetic chemistry to explore new products of industrial interest. Among the products of fast pyrolysis is bio-oil, with its main component being levoglucosan (1,6-anhydroglucopyranose), an anhydrous sugar applied as a building block for various industrially significant compounds. This anhydrous carbohydrate can be acylated to obtain carbohydrate fatty acid esters (CFAEs) with a hydrophilic-Lipophilic balance highly appreciated as surfactants. In this study, commercial levoglucosan(LGCom) and levoglucosan obtained from cellulose pyrolysis (BoE) were acylated throughtransesterification/esterification using various acyl donors in continuous flow and batch systems catalyzed by free and immobilized lipases in the presence of different organic solvents. Additionally, we demonstrated, for the first time, the direct acylation of BoE, and the influence of acetonitrile (ACN) and cyrene (CYE) on the stability of Candida Rugosa lipase (CR) and Candida antarctica B lipase (CalB) using Differential Scanning Fluorimetry. We also investigated the effect of the alkyl chain for the synthesis of CFAEs at substrate concentrations. In the batch reaction using LGCom as the substrate, optimal conversions and selectivity were achieved with different acyl donors, which were prepared in situ using an integrated strategy mediated by commercial lipases Novozym®435 (N435), PSIM, and the homemade biocatalyst CaLB_epoxy. As a result, all biocatalysts mainly produced carbohydrate fatty acid esters (CFAEs), with different selectivities. In the batch reaction using BoE, the best results were obtained with N435 in ACN, with the acyl donor ethyl octanoate (C8) achieving a conversion of 74%. The thermal stability profiles of CalB and CR suggested higher stability in CYE, with melting point of protein (Tm) values of 61°C for CalB and 53°C for CR. Through the kinetic parameters obtained from the Michaelis-Menten constants, inhibition by the substrate LG was indicated. In the continuous flow system, there was a productivity gain of over 100 times compared to the batch system in all comparisons. Finally, the CFAEs were tested for interfacial tension and biological activity. Promising data were obtained for the minimum inhibitory concentration (MIC) and minimum bactericidal concentration (MBC) of MONLAU against Staphylococcus aureus strains at 0.25 mM