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Génie et Microbiologie des Procédés Alimentaires

Axel Fayet

24 mai 2018 - AgroParisTech Massy - Amphi Loncin

SoutenancedeThèse
Axel Fayet soutiendra sa thèse le 24 mai 2018 sur le thème "Détoxification d’hydrolysats hémicellulosiques par dia-nanofiltration, étude de leur fermentescibilité et du mode d’action des inhibiteurs".

Jury de soutenance

Patricia TAILLANDIER, Professeur, ENSIACET, Toulouse

RAPPORTEUR

João Paulo CRESPO, Professeur, Université de Lisbonne, Portugal

RAPPORTEUR

Karine BLONDEAU, Maître de Conférences, Université Paris Saclay

EXAMINATRICE

Antoine MARGEOT, IFPEN

EXAMINATEUR

Marielle BOUIX, Professeur, AgroParisTech

DIRECTRICE DE THÈSE

Marie-Laure LAMELOISE, Professeur, AgroParisTech

DIRECTRICE DE THÈSE

Andreia TEIXEIRA, L’Oréal

INVITÉE

Résumé de la thèse

La biomasse lignocellulosique est, à l’heure actuelle, la meilleure alternative au pétrole en ce qui concerne la production d’énergie et de molécules à haute valeur ajoutée. L’exploitation  de cette biomasse nécessite sa déconstruction afin d’accéder aux principales fractions qui la composent : la cellulose et les hémicelluloses, toutes deux des polymères de sucres, et la lignine, un polymère réticulé de composés aro- matiques.Toutefois, la récalcitrance naturelle de la biomasse lignocellulosique im- plique l’utilisation de prétraitements sévères pour accéder aux sucres et aux compo- sés aromatiques. Si ces prétraitements permettent effectivement de libérer les sucres, les conditions physico-chimiques employées sont généralement à l’origine de pro- duits de dégradation, inhibant la croissance des microorganismes.

Le but de ces travaux de thèse est donc de répondre à la question suivante : "Est il possible d’utiliser la nanofiltration  pour éliminer les composés inhibiteurs présents dans un hydrolysat hémicellulosique, afin de le rendre fermentescible par Bacillus subtilis 168 ?"

Dans un premier temps, Bacillus subtilis 168 a été mis en culture en présence des principaux composés inhibiteurs communément retrouvés dans les hydrolysats hémicellulosiques, à savoir : des dérivés furaniques (HMF et furfural),  des acides aliphatiques (acide acétique, formique et lévulinique) et des composés phénoliques (vanilline, syringaldéhyde, acide férulique et coumarique). L’action de chaque com- posé sur la croissance de Bacillus subtilis 168 a été observée, et la concentration mi- nimale inhibitrice de chacun a été déterminée en se basant sur le temps de latence. De même les interactions entre composés ont été étudiées par l’intermédiaire  d’un plan d’expérience réalisé en microplaque 96 puits. Les résultats obtenus ont permis d’établir que les composés phénoliques, bien qu’en faible concentration (< 1 g/L) présentent l’action inhibitrice la plus forte sur Bacillus subtilis 168, suivis par les dé- rivés furaniques, et enfin les acides aliphatiques, pourtant plus concentrés (5 g/L). Le plan d’expérience en microplaque a présenté des limitations  dues à des méca- nismes de réponse aux stresses environnementaux de la bactérie. Cette expérience a toutefois montré une possible synergie entre les composés phénoliques.

L’étape suivante a été de mettre au point un procédé de nanofiltration  permet- tant de diminuer  les concentrations en inhibiteurs en dessous des seuils détermi- nés dans la partie précédente. Différentes membranes de nanofiltration (DK, NF, KH, NP030 et NF90) ont été comparées sur leur capacité à retenir les sucres dans le milieu tout en assurant une élimination  maximale des composés inhibiteurs. La membrane DK (GE, USA) a été retenue pour la suite des expériences. Différentes conditions opératoire (pression, pH, mode de diafiltration) ont été comparées pour déterminer les conditions permettant d’éliminer  efficacement le plus d’inhibiteurs. La dia-nanofiltration  élimine efficacement les dérivés furaniques, les acides alipha- tiques, mais le résultat est plus mitigé pour les composés phénoliques, plus de 65% du syringaldéhyde restant dans le milieu après diafiltration.

Des tests de fermentation sur l’hydrolysat dia-nanofiltré, ont montré que l’élimi- nation totale des dérivés furaniques et aliphatiques ne suffisait pas pour assurer la croissance de Bacillus subtilis 168. La cytométrie en flux a permis d’étudier les méca- nismes d’action des phénols restant, probablement responsables de cette inhibition, et de montrer qu’ils peuvent agir, selon leur nature, sur la fluidité et/ou la dépolari- sation de la membrane plasmique.

En conclusion, la nanofiltration  est un procédé simple et efficace, permettant d’éliminer  une grande partie des inhibiteurs  présents dans les hydrolysats ligno- cellulosiques. Toutefois, elle n’a pas été suffisante pour permettre la croissance bac- térienne, en revance l’utilisation de levures s’est révélée possible.

Mots clés

Procédés membranaires, hydrolysats hémicellulosiques, inhibiteurs,  fermentescibilité, cytométrie en flux