Optimisation d'un procédé d'élongation de chaîne par électro-fermentation pour la bioraffinerie environnementale

Study of an innovative electro-fermentation process for the production of medium-chain fatty acids (biofuels) from agro-industrial effluents

• Auteur / Autrice : Luisa Barbonaglia
• Direction : Nicolas Bernet, Eric Trably
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : APAB-Sciences des Procédés des Matériaux, Bioproduits et Aliments
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2024
• Etablissement(s) : Institut Agro
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LBE - Laboratoire de Biotechnologie de l'Environnement
• Partenaire(s) de recherche : École d’inscription : L'Institut Agro Montpellier (2020-....)

Mots clés

Mots clés libres

Bioraffinerie environnementale

Technologies électrochimiques microbiennes

Electro-fermentation

Chain elongation

Environmental biorefinery

Microbial electrochemical technologies

Electro-fermentation

Chain elongation

Résumé

Contexte scientifique du projet : L'Union européenne et la France se sont fixé l'objectif ambitieux de parvenir à une économie zéro carbone d'ici 2050. La bioéconomie devrait jouer un rôle important en remplaçant les produits pétrochimiques par des produits biosourcés issus de ressources biologiques renouvelables. Dans ce contexte, l'utilisation des déchets organiques comme ressource (c'est-à-dire le bioraffinage environnemental) représente une option attrayante en raison du fort potentiel de remplacement des combustibles fossiles et du faible coût (souvent négatif) des matières premières. Cependant, les déchets organiques sont une matrice complexe, hétérogène et variable dans le temps, et ces caractéristiques limitent considérablement leur potentiel de valorisation. Parmi les différentes options technologiques actuellement développées pour la production de produits organiques à plus forte valeur ajoutée pour les applications de la chimie verte, les technologies électrochimiques microbiennes sont des technologies émergentes prometteuses. Ces systèmes reposent sur la capacité de certains micro-organismes à catalyser des réactions d'oxydation ou de réduction à la surface des électrodes, éliminant ainsi des molécules organiques, produisant de l'hydrogène ou de l'électricité, et offrant de nouvelles options pour le contrôle des communautés microbiennes. Dans ce projet de thèse, nous proposons de développer un procédé innovant d'électro-fermentation pour la production de molécules plateformes à partir de déchets. Plus précisément, le travail se concentrera sur l'optimisation d'un procédé d'allongement de chaîne pour la production d'acides gras à chaîne moyenne tels que l'acide caproïque (C6) ou l'acide caprylique (C8) à partir de molécules plus courtes telles que l'acide acétique (C2) ou l'acide butyrique (C4), qui sont des produits majeurs de la fermentation des déchets. Mission et activités : Le travail combinera à la fois des approches expérimentales avec la réalisation de fermentations microbiennes en réacteurs et des approches plus théoriques pour analyser les communautés microbiennes, les voies métaboliques et les contraintes physico-chimiques associées. Les objectifs de la thèse sont les suivants 1) Cribler différents écosystèmes microbiens et tester leur capacité à réaliser l'élongation de chaînes à partir de différents substrats ou mélanges de substrats. 2) Évaluer l'impact de l'électro-fermentation sur l'allongement de la chaîne des écosystèmes sélectionnés et optimiser leur performance. 3) Analyser les communautés microbiennes et les mécanismes d'allongement de la chaîne dans des conditions d'électro-fermentation.

Scientific background of the project: The European Union and France have set themselves the ambitious goal of achieving a zero-carbon economy by 2050. The bio-economy should play an important role in replacing petrochemicals with bio-sourced products from renewable biological resources. In this context, the use of organic waste as a resource (i.e. environmental biorefinery) represents an attractive option because of the high potential for replacing fossil fuels and the low (often negative) cost of raw materials. However, organic waste is a complex, heterogeneous and time-variable matrix, and these characteristics severely limit its potential for recovery. Among the various technological options currently being developed for the production of higher added-value organic products for green chemistry applications, microbial electrochemical technologies are promising emerging technologies. These systems rely on the ability of certain microorganisms to catalyze oxidation or reduction reactions at the electrode surface, thereby eliminating organic molecules, producing hydrogen or electricity, and providing new options for controlling microbial communities. In this thesis project we propose to develop an innovative electro-fermentation process for the production of platform molecules from waste. Specifically, the work will focus on optimizing a chain elongation process for the production of medium-chain fatty acids such as caproic acid (C6) or caprylic acid (C8) from shorter molecules such as acetic acid (C2) or butyric acid (C4), which are major products of waste fermentation. Mission and Activities: The work will combine both experimental approaches with the realization of microbial fermentations in reactors and more theoretical approaches to analyze microbial communities, metabolic pathways and associated physicochemical constraints. The objectives of the thesis are: 1) To screen different microbial ecosystems and test their ability to perform chain elongation from different substrates or substrate mixtures. 2) To evaluate the impact of electro-fermentation on chain elongation of selected ecosystems and optimize their performance. 3) To analyze microbial communities and chain elongation mechanisms under electro-fermentation conditions.