Nouvelles méthodologies pour la caractérisation de biohuiles de microalgues par chromatographie en phase supercritique couplée à la spectrométrie de masse à très haute résolution

New methodologies for the characterization of microalgae bio-oils by supercritical fluid chromatography hyphenated to ultra-high resolution mass spectrometry

• Auteur / Autrice : Jason Devaux
• Direction : Carlos Afonso, Sabine Heinisch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 03/12/2024
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale normande de chimie (Caen)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie organique, bioorganique : réactivité et analyse (Mont-Saint-Aignan, Seine-Maritime ; 2000-2025)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement co-accrédité : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Cardinael
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carlos Afonso, Sabine Heinisch, Vincent Carré, Davy Guillarme, Mélanie Mignot, Caroline West
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Carré, Davy Guillarme

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomasse -- Conversion

Biocarburants

Microalgues

Fourier, Spectroscopie par transformée de

Spectrométrie de résonance cyclotronique ionique

Spectrométrie de masse

Chromatographie en phase liquide

Chromatographie en phase supercritique

Chromatographie

Mots clés libres

Chromatographie bidimensionnelle compréhensive en ligne

Chromatographie à polarité de phase inversée (RPLC)

Spectrométrie de masse par résonance cyclotronique ionique à transformée de Fourier (FTICR MS)

Bio-huiles de microalgues

Chromatography

Online comprehensive two-Dimensional chromatography

Reversed-Phase Liquid Chromatography (RPLC)

Supercritical Fluid Chromatography (SFC)

Mass spectrometry

Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FTICR MS)

Microalgae bio-Oils

Résumé

Le développement des sources d’énergies renouvelables est particulièrement important pour réduire les émissions de gaz à effets de serre et à terme, remplacer les combustibles fossiles. Parmi ces énergies renouvelables, les biocarburants obtenus à partir de biomasse semblent intéressants, notamment pour les secteurs aéronautiques et maritimes. Lors de la conversion de microalgues par des voies thermochimiques, une bio-huile contenant des milliers de composés, notamment des composés azotés et oxygénés est obtenue. Cette bio-huile ne peut pas être utilisée comme biocarburant sans traitements d’améliorations préalables pour diminuer sa viscosité et le nombre de molécules hétéroatomiques, et ainsi augmenter son pouvoir calorifique. Afin de trouver les processus les plus adaptés, il est important de connaître la composition moléculaire des bio-huiles. Pour la caractérisation de tels mélanges, la combinaison d’appareil de haute technologie est nécessaire. L’objectif de cette thèse est de développer des méthodes analytiques innovantes et complémentaires, utilisant la chromatographie (à une et deux dimensions) et la spectrométrie de masse à haute et ultra-haute résolution pour la caractérisation de bio-huiles de microalgues. Les analyses par introduction directe dans un spectromètre de masse à résonance cyclotronique des ions par transformée de Fourier (FTICR MS) ont permis de choisir la source d’ionisation la plus adaptée à ces échantillons en comparant les formules moléculaires attribuées. Ces résultats ont permis de mettre en place le couplage de la chromatographie par fluide supercritique (SFC) au FTICR (SFC-FTICR MS), bien que des compromis aient été nécessaires. La complexité isomérique de l’échantillons est mise en évidence grâce à des chromatogrammes d’ions extrait (EIC), permettant également de démontrer que les familles de composés étaient séparées. Enfin, pour séparer davantage de composés, une méthode de chromatographie bidimensionnelle (RPLC × SFC-qToF) en ligne a été développée. Une nouvelle configuration de vanne reliant les deux dimensions est présentée, afin de faciliter le couplage et d’en optimiser l’efficacité.

The development of renewable energy sources is of paramount importance for the reduction of greenhouse gas emissions, and the replacement of fossil fuels. Among these renewable energies, biofuels obtained from biomass appear to be of particular interest, particularly in the aeronautical and maritime sectors. The thermochemical conversion of microalgae results in the production of a liquid phase, called bio-oil, comprising thousands of compounds, including nitrogen and oxygen-containing compounds. The bio-oil cannot be used as a biofuel without prior upgrading treatments to reduce its viscosity and the number of heteroatomic compound, thereby increasing its calorific value. In order to identify the most appropriate processes, it is essential to determine the molecular composition of the bio-oils. For the characterization of such mixtures, the hyphenation of state-of-the-art equipment is required. The objective of this thesis is to develop innovative and complementary analytical techniques utilising chromatography (one and two-dimensional) and high and ultra-high-resolution mass spectrometry for the characterization of microalgae bio-oils. First, analyses in direct introduction into a Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer (FTICR MS) enabled the selection of the most suitable ionization source for the sample, by comparing the assigned molecular formulas. The results allowed the hyphenation of supercritical fluid chromatography (SFC) and FTICR (SFC-FTICR MS), although compromises were required. The isomeric complexity is highlighted, using extracted ion chromatograms (EIC), which also demonstrated that the compound classes were separated. Finally, to increase the separation power, an on-line two-dimensional chromatography method (RPLC × SFC-qToF) has been developed. A new valve configuration, hyphenating the two dimensions, is proposed in order to ease the coupling and improve its efficiency.