Tesi sul tema "Fermentation liquide-Liquide"

La fermentation en milieu solide est un bioprocédé pouvant éventuellement être utilisé comme technologie de rupture pour diminuer le coût des biocatalyseurs utilisés dans la conversion de biomasse lignocellulosique comme le son de blé. La première partie de ces travaux de recherche a donc étudié le potentiel de cette technologie par rapport à celle de fermentation en milieu submergé lors d'une comparaison en application. Plusieurs tests de saccharification ont ainsi été réalisés sur différentes matières premières (cellulose, son de blé) et ont permis de montrer l'avantage différentiateur des biocatalyseurs produits par fermentation en milieu solide. Ensuite, la deuxième partie de ces travaux de recherche a porté sur l'étude des facteurs de la récalcitrance du son de blé à l'hydrolyse enzymatique. Deux principaux facteurs ont ainsi pu être démontrés : un facteur physique, lié à l'accessibilité des biocatalyseurs aux polysaccharides, et un facteur biochimique, lié à l'absence ou à la faible présence de certaines activités enzymatiques (féruloyl estérase,…) dans le complexe enzymatique de Trichoderma reesei Rut-C30. Cette étude a également permis d'identifier l'origine des différentes fractions glucidiques hydrolysées et de déterminer le potentiel glucidique actuellement hydrolysable à partir de cette biomasse. Enfin, la dernière partie de ces travaux de recherche a été consacrée à l'étude pratique d'un concept innovant de procédé permettant de favoriser la conversion des polysaccharides contenus dans le son de blé. Une levée de la barrière physique au transfert de masse et par conséquent une validation de ce concept a finalement pu être réalisée
Solid-state fermentation is a bioprocess that can optionally be used as disruptive technology to reduce the cost of biocatalysts used in the lignocellulosic biomass conversion like wheat bran. The first part of this research has explored the potential of this technology compared to submerged fermentation in an application comparison. Several saccharification tests have thus been carried on different feedstocks (cellulose, wheat bran) and have shown the differentiator advantage of biocatalysts produced by solid state fermentation. Then, the second part of this research has investigated the recalcitrance factors of wheat bran to enzymatic hydrolysis. Two main factors have thus been demonstrated: a physical factor, related to the accessibility of biocatalysts to the polysaccharides, and a biochemical factor, related to the absence or the low presence of some enzymatic activities (feruloyl esterase, ...) in the enzymatic complex of Trichoderma reesei Rut-C30. This study has also identified the origin of the various carbohydrate moieties hydrolyzed and has determined the carbohydrate potential currently releasable from this biomass. Finally, the last part of this research has been devoted to the practical study of an innovative concept of process to promote the conversion of polysaccharides in wheat bran. A removal of the physical barrier to mass transfer and therefore a validation of this concept has finally been achieved

Une membrane liquide composee d'un support poreux hydrophobe impregne d'un solvant organique a ete mise au point; l'isotridecanol s'est avere etre biocompatible, impermeable aux sels et au glucose et autorise un flux d'ethanol important (35 g/h. M**(2)). Cette membrane liquide mise en oeuvre avec une phase receptrice aqueuse a permis, par l'extraction de l'ethanol inhibiteur, une detoxification significative d'un mout de fermentation en activite: amelioration de la viabilite des levures et de productivite du fermenteur d'un facteur 2,5. En outre, ce procede d'extraction a permis de mettre en evidence l'activite inhibitrice de metabolites secondaires. Une etape supplementaire de concentration en ligne de l'ethanol extrait peut etre realisee en utilisant le procede a membrane liquide avec une phase receptrice gazeuse et un piege a froid. Enfin, une modelisation mathematique des phenomenes de transfert d'ethanol a travers une membrane liquide a permis de mieux cerner les resistances au transfert et a montre l'importance de parametres lies au support (epaisseur, porosite, tortuosite, des pores) et lies au solvant (coefficient de partage et diffusivite)

Le couplage fonctionnel des opérations de séparation et de réaction ainsi que les bio-procédés sont deux axes de recherche largement explorés. Cependant, l’industrie du génie des procédés a du mal à se tourner vers des technologies de ce type car il demeure un réel manque de connaissances et d’outils de conception pour ce genre de procédés. Une méthodologie de conception générale pour l'extraction liquide-liquide réactive est introduite dans cette étude. Elle est composée de trois étapes différentes: l'analyse de faisabilité, la synthèse ou dimensionnement du procédé et la validation par simulation. Cette méthodologie conduit à des paramètres structuraux et opératoires de la colonne étudiée à partir seulement des informations concernant le comportement physico-chimique du système étudié, en exploitant les équations d’équilibre chimique et entre phase ainsi que les bilans matières. Les résultats de cette méthode sont un bon point de départ pour une étude d'optimisation ou d'un processus de calcul d'investissement. Cette méthodologie a été appliquée à différentes études de cas: regroupant deux stratégies différentes d'extraction avec plusieurs solvants pour récupérer l'acide succinique dans un milieu de fermentation

Un mecanisme de transport actif est utilise pour realiser la permeation de la l valine a travers une membrane liquide, constituee par une solution d'aliquat 336 immobilisee dans un support microporeux hydrophobe. L'acquisition de donnees thermodynamiques (coefficients de distribution) a permis d'effectuer, pour differentes phases a epurer une pre-selection de la composition chimique des phases organique et receptrice. L'etude cinetique du transport de la valine et d'un traceur (glucose) a permis de preciser les parametres determinant la permeabilite et la selectivite de la membrane liquide: nature de la phase organique (concentration d'aliquat 336 et nature du diluant) caracteristiques geometriques du support (porosite, tortuosite et epaisseur), concentration des solutes (valine, contre-ion chlorure), ph et conditions hydrodynamiques des phases aqueuses. Un modele de permeation, base sur l'additivite des resistances diffusionnelles en serie dans les films stagnants aqueux et organique est en bon accord avec les resultats experimentaux. La stabilite des membranes liquides supportees a ete etudiee a travers les mesures independantes de parametres caracteristiques point de goutte, tension interfaciale entre phases a epurer et organique, solubilite mutuelle eau-diluant. Cette etude mene a une connaissance predictive de la duree de vie des membranes liquides supportees. Un nodule a membrane plissee en teflon, de surface egale a 0,2 m#2, a ete par ailleurs mis au point pour une application au traitement de mouts de fermentation. L'influence specifique de differents constituants du mout (melasse, biomasse) sur les performances de la separation (permeabilite de la valine, selectivite par rapport aux sucres et aux colorants, rendement maximum d'extraction, stabilite) a ete precisee. Enfin, des essais de fermentation extractive ont montre la faisabilite du couplage d'une membrane liquide sup

Ce travail décrit les équilibres gaz-liquide lors des fermentations alcooliques en conditions œnologiques, en se focalisant sur les composés d'arôme les plus abondants : isobutanol, alcool isoamylique, acétate d'éthyle, acétate d'isoamyle et hexanoate d'éthyle. Les coefficients de partage à l'équilibre (ki) de ces molécules sont quantifiés, grâce à la méthode PRV (Phase Ratio Variation), en précisant l'effet de la composition du milieu et de la température. Grâce à la mise en œuvre de fermentations spécifiques pendant lesquelles la vitesse de dégagement de CO2 est contrôlée (grâce à une perfusion d'azote ammoniacal), il a été montré que le dégagement de CO2 n'avait pas d'effet sur le rapport de concentrations entre phase gaz et liquide et pouvait être assimilé au ki. Une démarche de modélisation est ensuite effectuée, pour estimer la valeur du rapport de concentrations entre phase liquide et gaz pour ces composés (à l'exception de l'acétate d'éthyle et de l'alcool isoamylique), à tout moment de la fermentation et quelle que soit la température, y compris en conditions de non isothermie. Le modèle, basé sur l'équilibre des phases gaz et liquide, conduit à une erreur moyenne d'estimation inférieure à 10%. Grâce à ce modèle, il devient possible de réaliser des bilans de production des différents composés tout au long de la fermentation, à partir de leur seule mesure dans la phase gaz. Ces bilans permettent de différencier (i) la quantité globale produite, représentative des potentialités de la levure (intérêt microbiologique), (ii) la quantité restant dans la phase liquide (intérêt organoleptique) et (ii) la quantité perdue dans le gaz effluent (intérêt technologique). Il est ainsi mis en évidence que les pertes d'esters sont très importantes. Par exemple, à 20°C, elles atteignent respectivement 44 % et 25 % pour l'hexanoate d'éthyle et l'acétate d'isoamyle. Grâce à un dispositif de suivi en ligne permettant des mesures très fréquentes (une par heure), les vitesses - et les vitesses spécifiques - de production et de pertes sont calculées. Elles constituent de nouvelles informations utiles à la fois pour l'étude du métabolisme (suivi de la dynamique de flux métaboliques) et pour mieux raisonner les conduites de fermentation, notamment le régime de température. L'impact de ce régime de température est étudié plus en détail en réalisant des bilans de production lors de fermentations conduites avec la même souche de levure et le même moût. Les résultats obtenus montrent que si l'on ne prend en compte que les concentrations dans la phase liquide - généralement les seules informations disponibles - on surestime fortement l'impact de la température sur le métabolisme de composés fortement volatils, tels que les esters
The gas-liquid partitioning during winemaking fermentations was studied, with a focus on the main aroma compounds: isobutanol, isoamyl alcohol, ethyl acetate, isoamyl acetate, ethyl hexanoate. The partition coefficients (ki) of these molecules were quantified, using the PRV (Phase Ratio Variation) method. The influence of the must composition and temperature was assessed. The absence of any effect of CO2 production on gaz-liquid ratio compared to ki value was established by running specific fermentations in which the rate of CO2 production was kept constant by perfusion with assimilable nitrogen. A model was then elaborated to calculate gaz-liquid ratio of these molecules (excepted ethyl acetate and isoamyl alcohol) at any fermentation progress and at any temperature, including anisothermal fermentations. The model based on the equilibrium between the gas and liquid phases predicted ki with less than 10% error. Using this model, balances were c alculated, with a differentiation between (i) the total production, representative of the yeast potential (microbiological interest), (ii) the amount remaining in the fermenting must (organoleptic interest) and (iii) the amount lost in the exhaust CO2 (technological interest). High losses of esters were observed. For example, at 20°C, they represented 44% and 25 % for ethyl hexanoate and isoamyl acetate, respectively. Using an on line monitoring with a high frequency of measurements (one per hour), rates and specific rates of production were calculated. These new data are useful both for studies on metabolism (dynamics of metabolic fluxes) and for improving fermentation control, in particular temperature profile. The impact of temperature was assessed in more detail by comparing balances of production during fermentations run with the same yeast strain and must. These experiments demonstrated that the effect of temperature on the yeast metabolism was highly overestimated whe n only considering the concentrations in the liquid, i.e. usually the only available information

Ce travail, dans sa progression méthodologique, vise la validation et la mise en oeuvre de la contribution que peut apporter la dynamique des fluides, théorique et surtout numérique, aux procédés de fermentation en cuve agitée. Son apport dans d’autres domaines où coexistent écoulements et transformations de matières ne cessent de susciter de plus en plus d’intérêt. La description fine de l’évolution du contenu d’un réacteur propose en fin de compte le scénario à venir lors de l’exploitation industrielle de l’opération étudiée. Ce mémoire présente donc une approche de ce type pour l’activité dans un réacteur lors d’une fermentation. Le mélange multiphasique en écoulement avec ses échanges interphasiques et particulièrement ici l’aspect réactif de celui-ci font l’objet d’une intégration progressive conduisant à un modèle de «fermentation numérique». Une analyse statistique du volume de données recueillies lors du déroulement d’une telle opération, permet d’en évaluer plus d’une caractéristique, et d’en tirer des informations utiles tant pour son élaboration lors de l’étude du procédé lui même que pour l’accompagnement de l’exploitation productive de celui-ci. L’étude et la compréhension des interactions et des cinétiques de transfert en milieu hétérogène permettront de maîtriser aussi le comportement des molécules aux interfaces et d’en tirer profit pour la mise au point de bio-séparations des produits obtenus. La souplesse de l’outil informatique initie la compétition de cette méthode d’évaluation par simulation d’un procédé, avec la réalité elle-même du procédé pratiqué jusqu’à présent à travers le modèle de laboratoire ou le modèle-pilote largement plus coûteux sur plus d’un plan. Les méthodes numériques adaptées à ce type de problèmes se sont bien développées ces dernières décennies et le matériel supportant le calcul lui-même ne cesse de se mettre à la portée des modestes moyens d’acquisition. La réaction biologique, à l’instar de la réaction chimique aura donc la possibilité de tirer quelques profits de ce moyen d’étude non intrusif et sans dommages économiques ou même écologiques
This work, in its methodological progression, aims at validating and implementing the fluid dynamics contribution, both theoretical and numerical, to the fermentation processes in agitated vessels. Indeed, its contribution in other engineering fields, where material flows and transformations coexist, could arouse additional deep interest. The detailed description of the evolution of the reactor contents in the final analysis proposes the pattern that is realized during the industrial exploitation of the studied operation. The thesis thus presents an approach to a reactor performance during fermentation. Combining multiphase flow with its, inter-phase mass transfer kinetics and particularly with the reactive aspect of the latter is the subject of progressive integration leading to a model of "numerical fermentation". A statistical analysis over the bulk data collected in the course of such an operation allow to evaluate more than one characteristic, and to draw much useful information not only for the study in the stage of development of the process but also for the support of its productive exploitation. The flexibility of the data-processing tool thus developed initiates competition between this evaluation method for process simulation and the reality itself as far as such processes practised so far through laboratory models or pilot models are largely more expensive at more than one plane. The numerical methods adapted to such type of problems developed well in the last decade and the material that supports the calculation itself do not exclude employment of some modest means of acquisition. Not unlike chemical reaction engineering, biological reaction engineering would thus have the possibility to benefit of this nonintrusive technique of study excluding any economic or even ecological damage. -----------------------

Ce travail, dans sa progression méthodologique, vise la validation et la mise en oeuvre de la contribution que peut apporter la dynamique des fluides, théorique et surtout numérique, aux procédés de fermentation en cuve agitée. Son apport dans d’autres domaines où coexistent écoulements et transformations de matières ne cessent de susciter de plus en plus d’intérêt. La description fine de l’évolution du contenu d’un réacteur propose en fin de compte le scénario à venir lors de l’exploitation industrielle de l’opération étudiée. Ce mémoire présente donc une approche de ce type pour l’activité dans un réacteur lors d’une fermentation. Le mélange multiphasique en écoulement avec ses échanges interphasiques et particulièrement ici l’aspect réactif de celui-ci font l’objet d’une intégration progressive conduisant à un modèle de «fermentation numérique». Une analyse statistique du volume de données recueillies lors du déroulement d’une telle opération, permet d’en évaluer plus d’une caractéristique, et d’en tirer des informations utiles tant pour son élaboration lors de l’étude du procédé lui même que pour l’accompagnement de l’exploitation productive de celui-ci. L’étude et la compréhension des interactions et des cinétiques de transfert en milieu hétérogène permettront de maîtriser aussi le comportement des molécules aux interfaces et d’en tirer profit pour la mise au point de bio-séparations des produits obtenus. La souplesse de l’outil informatique initie la compétition de cette méthode d’évaluation par simulation d’un procédé, avec la réalité elle-même du procédé pratiqué jusqu’à présent à travers le modèle de laboratoire ou le modèle-pilote largement plus coûteux sur plus d’un plan. Les méthodes numériques adaptées à ce type de problèmes se sont bien développées ces dernières décennies et le matériel supportant le calcul lui-même ne cesse de se mettre à la portée des modestes moyens d’acquisition. La réaction biologique, à l’instar de la réaction chimique aura donc la possibilité de tirer quelques profits de ce moyen d’étude non intrusif et sans dommages économiques ou même écologiques
This work, in its methodological progression, aims at validating and implementing the fluid dynamics contribution, both theoretical and numerical, to the fermentation processes in agitated vessels. Indeed, its contribution in other engineering fields, where material flows and transformations coexist, could arouse additional deep interest. The detailed description of the evolution of the reactor contents in the final analysis proposes the pattern that is realized during the industrial exploitation of the studied operation. The thesis thus presents an approach to a reactor performance during fermentation. Combining multiphase flow with its, inter-phase mass transfer kinetics and particularly with the reactive aspect of the latter is the subject of progressive integration leading to a model of "numerical fermentation". A statistical analysis over the bulk data collected in the course of such an operation allow to evaluate more than one characteristic, and to draw much useful information not only for the study in the stage of development of the process but also for the support of its productive exploitation. The flexibility of the data-processing tool thus developed initiates competition between this evaluation method for process simulation and the reality itself as far as such processes practised so far through laboratory models or pilot models are largely more expensive at more than one plane. The numerical methods adapted to such type of problems developed well in the last decade and the material that supports the calculation itself do not exclude employment of some modest means of acquisition. Not unlike chemical reaction engineering, biological reaction engineering would thus have the possibility to benefit of this nonintrusive technique of study excluding any economic or even ecological damage. -----------------------

L'objectif premier de cette étude était la mise au point d'un mélange aromatique alimentaire constitué de mycélium de morille et de fibres de betteraves. La culture en milieu solide utilisée dans ce but a évolué en cours d'étude vers la mise en œuvre de techniques de culture en milieu liquide du fait des faibles potentialités aromatiques des produits développés jusqu'alors. Afin de déterminer les conditions optimales du développement mycélien (en milieu solide comme en milieu liquide), compte tenu des caractéristiques cinétiques des souches utilisées (faible taux de croissance), la technique des plans d'expériences a été mise en œuvre pour réduire le nombre de manipulations. Nos travaux ont débouché sur la mise au point d'une méthode d'estimation de la croissance mycélienne en milieu solide ainsi que sur la détermination des facteurs limitant ce type de fermentation. La définition d'une technique de conditionnement de la préculture pour le transfert de l'inoculum aboutit à la formation d'une biomasse mycélienne composée de billes de taille homogène lors du développement en milieu liquide. Combiné à l'utilisation d'une technique fermentaire adaptée (fed batch), le broyage contrôle de la préculture permet d'obtenir des concentrations élevées en biomasse de l'ordre de 16 a 17 g/l après 120 heures de culture et ce en fermenteur 20 litres. Nous avons pu établir que les caractéristiques aromatiques des pellets formés, dépendent principalement des constituants du milieu de culture et de la morphologie développée, sans pour autant pouvoir mettre en évidence les mécanismes régissant ces phénomènes
Morel mushrooms strains of Morchella have been used to study in submerged and solid state cultures, the production of aromatic compounds. Preliminary results in solid state culture showed, under the studied fermentation conditions, that the desired aroma could not be produced. Therefore studies were focused on the submerged culture. An experimental design planning was employed to study in Erlenmeyer flasks the influence of pellet size and addition of additives on the production of biomass and product. Experiments were then performed in 2 l bioreactors to analyze the pellet development. Furthermore, these culture conditions were scaled up to 20 l fermenters. The results showed an important biomass development in a pellet form up to 17 g/l cell dry weight. The produced aroma intensity was found to be, in organoleptic tests, dependant on the used medium and the produced mycelium form. It seems that a better aroma production is obtained with reduced size pellet forms

Ce travail visait à la réalisation de la mesure en ligne de la concentration en éthanol lors des procédés de fermentation. Quatre méthodes ont été développées : 1) mesure indirecte à partir du volume de CO2 dégagé, 2) mesure par des semi-conducteurs sensibles aux gaz, 3) mesure par chromatographie liquide haute pression associée à un système d'échantillonnage. Une corrélation linéaire est établie entre la concentration en éthanol du milieu et le volume de CO2 dégagé dans différentes conditions de fermentation. La concentration en éthanol peut être prédite avec un écart moyen de 2,73 g/l par rapport a la mesure hors ligne réalisée par chromatographie en phase gazeuse (choisie comme méthode de référence). L'étude des semi-conducteurs sensibles aux gaz a permis la détermination des principales caractéristiques de ces capteurs. Elle démontre leurs limites pour la mesure de la concentration en éthanol principalement du fait de leur dérive importante. Avec l'ébulliomètre, la concentration en éthanol est déterminée à partir de la mesure de la température d'ébullition, de l'extrait sec et de la densité initiale du milieu. L'écart moyen est de 0,97 g/l. L'utilisation d'une interface d'échantillonnage composée d'une membrane de filtration tubulaire placée à l'intérieur du réacteur permet d'obtenir un filtrat débarrassé de cellule. Ainsi, ce filtrat peut être analyse par chromatographie liquide haute pression avec une différence de concentration en éthanol entre les mesures en ligne et hors lignes de 0,6 g/l.

L'hydrogène a révélé un grand potentiel en tant que vecteur d'énergie du futur polyvalent et non polluant, offrant une densité d'énergie élevée et une conversion efficace en puissance utilisable. La fermentation noire est l'un des procédés de production biologique les plus prometteurs, mais doit encore surmonter des défis majeurs, notamment des taux de production d'hydrogène faibles (HPR) et des rendements en hydrogène (HY), avant que son application industrielle ne devienne économe en énergie et en coûts. Dans ce travail, nous avons cherché à optimiser la production d’hydrogène par fermentation noire de Thermotoga neapolitana. Les principaux objectifs étaient d'améliorer le HPR et de maintenir une HY élevée en utilisant différentes approches pour contrecarrer les limitations des processus et prévenir les inhibitions les plus pertinentes. En outre, un développement du procédé à flux continu privilégié par l'industrie a été prévu. Une augmentation de la concentration de biomasse initiale de 0,46 à 1,74 g CDW / L dans les essais biologiques en lots a entraîné une augmentation de plus de 2 fois de la HPR jusqu'à 654 (± 30) mL / L / h sans affecter négativement l'HY. Cependant, alors que la productivité volumétrique augmentait, le HPR spécifique (par unité de biomasse) était négativement corrélé avec le HPR et la concentration de biomasse. Par la suite, nous avons étudié la sursaturation en hydrogène de la phase liquide (H2aq) dans des essais biologiques par lots. À 100 tr / min d'agitation, H2aq est sursaturé jusqu'à 3 fois la concentration à l'équilibre. L'augmentation de la vitesse d'agitation diminuait l'accumulation de H2aq jusqu'à atteindre un équilibre entre l'hydrogène en phase gazeuse et liquide en agitation à 500 tr / min à de faibles concentrations cellulaires. Une augmentation de 200 à 600 tr / min a réduit progressivement l'H2aq de 21,9 (± 2,2) à 8,5 (± 0,1) mL / L et a presque doublé le HPR, révélant une corrélation directe entre les deux paramètres. De même, l’ajout de supports K1 et de recirculation de biogaz riche en H2 (GaR) a permis de contrecarrer l’accumulation de H2aq. En accélérant le processus en augmentant la concentration de biomasse dans les réacteurs jusqu'à 0,79 g CDW / L, le GaR s'est révélé plus efficace pour éliminer l'H2aq que l'agitation à 500 tr / min. L'application de GaR à 300 et 500 tr / min a augmenté le HPR d'environ 260% à 850 (± 71) mL H2 / h / L, par rapport à une agitation à 300 tr / min, atteignant une HY de 3,5 mol / mol de glucose. Nous avons démontré qu'un transfert de masse gaz-liquide insuffisant conduit à une accumulation de H2aq qui inhibe le rendement, mais plus encore le taux de fermentation à l'obscurité. Dans la phase finale de ce projet, nous avons réussi à maintenir la production d'hydrogène à débit continu. L'augmentation de la concentration en glucose de l'alimentation, de 11,1 à 41,6 mM, a entraîné une diminution de l'HY de 3,6 (± 0,1) à 1,4 (± 0,1) mol H2 / mol de glucose. L’HPR a augmenté simultanément jusqu’à environ 55 ml / L / h à 27,8 mM de glucose, tandis qu’une augmentation supplémentaire du glucose dans l’alimentation animale à 41,6 mM n’a pas augmenté les concentrations en HPR et en AA. Pour rechercher si des taux élevés d'AA limitaient le processus, la concentration en AA de l'alimentation a été progressivement augmentée. Cependant, cela n'a révélé aucun effet négatif sur la fermentation à l'obscurité en continu jusqu'à 240 mM de nourriture AA et, tout au long des 110 jours de fermentation en continu, l'HY a augmenté de 47%. La réduction du THS de 24 à 7 h a également entraîné une augmentation du taux de HPR de 82 (± 1) à 192 (± 4) mL / L / h, tout en diminuant le HY. De manière concomitante, le H2aq accumulé est directement corrélé au HPR atteignant 15,6 mL / L pour un THS de 7 h et à une agitation de 500 tr / min. L'application de GaR a efficacement neutralisé la sursaturation en H2aq et a permis d'obtenir le HPR le plus élevé de 277 mL / L à un THS de 5 h
Hydrogen has revealed a great potential as a versatile and non-polluting energy carrier of the future providing a high energy density and an efficiently conversion to usable power. Dark fermentation is one of the most promising biological production processes, but still has to overcome major challenges, most importantly low hydrogen production rates (HPRs) and hydrogen yields (HYs), before its industrial application becomes cost- and energy-efficient.In this work, we aimed to optimize the hydrogen production via dark fermentation by Thermotoga neapolitana. The main objectives were to enhance the HPR and maintaining a high HY using different approaches to counteract process limitations and prevent the most relevant inhibitions. Furthermore, a development of the industrially preferred continuous-flow process was projected. An increase of the initial biomass concentration from 0.46 to 1.74 g CDW/L in batch bioassays resulted in a more than 2-fold enhancement of the HPR up to 654 (±30) mL/L/h without negatively affecting the HY. However, while the volumetric productivity increased the specific HPR (per unit of biomass) was negatively correlated with the HPR and the biomass concentration. Subsequently, we investigated the supersaturation of hydrogen in the liquid phase (H2aq) in batch bioassays. At 100 rpm agitation H2aq supersaturated up to 3 times the equilibrium concentration. Increasing the agitation speed diminished the accumulation of H2aq until an equilibrium between the gas and liquid phase hydrogen was reached with 500 rpm agitation at low cell concentrations. A raise from 200 to 600 rpm gradually reduced H2aq from 21.9 (± 2.2) to 8.5 (± 0.1) mL/L and approximately doubled the HPR, revealing a direct correlation between the two parameters. Similarly, the addition of K1 carrier and H2-rich biogas recirculation (GaR) successfully counteracted the accumulation of H2aq. Accelerating the process by increasing the reactors biomass concentration up to 0.79 g CDW/L, GaR revealed to be more efficient in removing H2aq than 500 rpm agitation. The application of GaR at 300 and 500 rpm enhanced the HPR by approximately 260% up to 850 (± 71) mL H2/h/L, compared to a sole 300 rpm agitation, reaching a HY of 3.5 mol/mol glucose. We demonstrated that an insufficient gas-liquid mass transfer leads to the accumulation of H2aq which inhibits the yield but even more so the rate of dark fermentation. In the final phase of this project we successfully maintained continuous-flow hydrogen production. Increasing the feed glucose concentration from 11.1 to 41.6 mM diminished the HY from 3.6 (± 0.1) to 1.4 (± 0.1) mol H2/mol glucose. The HPR increased concomitantly up to approximately 55 mL/L/h at 27.8 mM of glucose, whereas a further increase of feed glucose to 41.6 mM did not enhance the HPR and the AA concentration. To investigate whether high levels of AA limited the process, the feed AA concentration was gradually increased. However, this revealed no negative effect on continuous dark fermentation up to 240 mM of feed AA and, throughout the 110 days of continuous fermentation, the HY increased by 47%. Decreasing the HRT from 24 to 7 h also led to a HPR enhancement from 82 (± 1) to 192 (± 4) mL/L/h, while decreasing the HY. Concomitantly, the H2aq accumulated, directly correlated to the HPR reaching 15.6 mL/L at an HRT of 7 h and 500 rpm agitation. The application of GaR efficiently counteracted the supersaturation of H2aq and allowed the highest HPR of 277 mL/L at a HRT of 5 h

La 6-pentyl-alpha-pyrone (6PAP) est un métabolite fongique spécialisé, isolé pour la première fois dans les années 1970 à partir de cultures du champignon Trichoderma viride. Outre ses nombreuses propriétés biologiques (agent antifongique, hormone de croissance et inducteur de mécanismes de défense pour les plantes, etc.), ce composé possède des propriétés organoleptiques proches de celles de la massoia lactone et de la delta-décalactone, dont il est par ailleurs un précurseur potentiel. Son agréable odeur de noix de coco nuancée de noisette et de fève tonka en fait un arôme d’intérêt, utilisé aujourd’hui comme additif dans certaines boissons et aliments. A ce jour, la 6PAP n’est cependant synthétisée à l’échelle industrielle que par voie chimique. Sa production par voie biotechnologique et biosourcée est inexistante en dépit d’importants efforts de recherche encouragés par une demande croissante des consommateurs pour les molécules d’origine naturelle. Dans ce travail de recherche, nous avons donc développé un procédé de fermentation à partir de matières premières végétales peu coûteuses, en conditions douces, avec une souche fongique du genre Trichoderma n’ayant subi aucune modification génétique. En nous appuyant dans un premier temps sur des études par plans d’expériences, nous avons finalement obtenu des concentrations de 6PAP allant jusqu'à 1 g/L, aussi bien en fioles qu’en fermenteur, par un procédé de fermentation biphasique liquide-liquide
6-pentyl-alpha-pyrone (6PAP) is a specialized fungal metabolite first isolated in the 1970s from cultures of the fungus Trichoderma viride. In addition to its numerous biological properties (antifungal agent, phytohormone-like effect, inducer of plant defense mechanisms, etc.), it has organoleptic properties similar to those of massoia lactone and delta-decalactone, of which it is also a potential precursor. Its pleasant smell and taste of coconut, with a hint of nutty and tonka bean, makes it an aroma of interest on its own, already used as an additive in some food products and beverages. To date, 6PAP has been produced on industrial scale only by chemical synthesis. Its biotechnological production from bio-based materials is non-existent despite the extensive research efforts encouraged by a growing consumer demand for molecules of natural origin. In this work, we have therefore developed a fermentation process from inexpensive agricultural raw materials, under mild conditions, with a fungal strain of Trichoderma that has not undergone any genetic modification. Based initially on design of experiments (DOE) studies, we finally obtained up to 1 g/L of 6PAP, both in flask and in bioreactors, by a biphasic liquid-liquid fermentation process

La pression au même titre que la température, le pH, les solvants organiques, l'activité de l'eau, peut modifier la structure des biocatalyseurs ainsi que leur activité catalytique. Longtemps délaissée à cause des problèmes techniques inhérents à la pression, l'étude de ce paramètre thermodynamique connaît depuis une vingtaine d'années un nouvel essor. Le réacteur haute pression haute température (maxima de 250 MPa et 150°C) mis au point pour cette étude, permet de suivre in vitro l'influence de la pression sur les réactions enzymatiques catalysées par une alcool déshydrogénase (ADH) tétramérique thermostable (extraite de Thermoanaerobium brockii : TBADH). La détermination des paramètres cinétiques de ces deux enzymes a montré, dans le cas de YADH, que la pression inhibait l'activité de l'enzyme sans affecter son affinité pour l'éthanol. Par contre, la pression améliore le turn-over et l'affinité deTBADH pour ses substrats alcooliques, ceci pour des pressions allant jusqu'à 175 MPa avec un optimum correspondant à 100 MPa. Les variations de volume d'activation rendant compte des effets de la pression sur les réactions biochimiques ont été déterminées pour les deux enzymes. Ainsi, il a été montré que les variations de volume observées au cours des cinétiques catalysées par YADH sont principalement dues à des événements se produisant lors de la phase catalytique, alors que dans le cas de TBADH, il semble que ce soit lors de la fixation du substrat que les plus grands changements ont lieu. Les études structurales effectuées par la méthode des dérivés seconde en chromatographie liquide haute performance ont montré que les modifications d'activités n'étaient pas dues comme dans la plupart des cas, à une dissociation des enzymes oligomériques mais à une modification de la structure tridimensionnelle de l'enzyme.

L'etude des interactions entre composes d'arome ligands et constituants de systemes alimentaires recepteurs a ete abordee par la mise en place d'une methodologie originale et particulierement adaptee aux molecules volatiles. Elle fait intervenir la methode de dilution exponentielle conduisant a la determination des coefficients d'activite des composes d'arome dans l'eau et en solutions aqueuses de recepteurs, leur comparaison permettant la mise en evidence des interactions entre composes d'arome et recepteurs. La deuxieme methode est la chromatographie liquide dynamique a colonnes couplees permettant la determination de la solubilite des composes d'arome dans l'eau et en solutions aqueuses de recepteurs et le calcul des constantes de formation des complexes ligand-recepteur. Les interactions entre peptidomannanes et composes d'arome du vin (acetate d'isoamyle, hexanoate d'ethyle, limonene et -ionone) ont ete etudiees pour determiner le role des macromolecules d'origine levurienne sur la qualite organoleptique des vins. Afin d'interpreter ces resultats, un modele de recepteur constitue par un glycopeptide obtenu par greffage de l'inhibiteur trypsique sur une dextrine a ete abordee par les deux methodes precedentes. Nous avons choisi les dextrines pour la synthese du glycopeptide apres avoir etudie les interactions entre les composes d'arome deja cites et differents recepteurs polyosidiques (amidons modifies, dextranes, hydroxypropyl celluloses, galactomannanes). L'evaluation de l'hydrophobicite de surface du glycopeptide a permis une discussion des phenomenes intervenant dans les interactions avec le limonene et un parallele avec les peptidomannanes. Dans un dernier chapitre, les complexes formes entre les -cyclodextrines et differents composes d'arome ont ete discutes. Les resultats obtenus montrent que generalement, les interactions entre composes d'arome et differents recepteurs sont hydrophobes et faibles. Des groupements fonctionnels plus polaires sont souvent necessaires pour stabiliser le complexe par etablissement de liaisons hydrogenes

La chromatographie en lit expansé est une technique primaire de purification des protéines qui permet de combiner clarification, concentration et purification en injectant directement le moût de fermentation dans la colonne, par un flux ascendant. Dans un premier temps, une nouvelle colonne de chromatographie en lit expansé avec un distributeur de flux conique a été conçue afin d'améliorer la qualité de l'écoulement et d'éviter la présence d'une grille, pour limiter les problèmes de colmatage à forte concentration cellulaire. Cette colonne offre alors de meilleures performances comparées aux colonnes actuellement commercialisées. Dans un second temps, une étude physico-chimique des interactions entre les billes adsorbantes et les levures S. Cerevisiae a montré l'importance de se placer dans les conditions réelles de l'expérience et de prendre en compte l'hydrodynamique et l'ensemble des interactions électrostatiques et non électrostatiques pour décrire le mécanisme des interactions. Enfin, la lipase de Yarrowia lipolytica a été purifiée par cette technique dans la colonne à distributeur conique, avec un rendement de 98,8% et un facteur de purification de 3,55, directement en sortie de fermenteur
Expanded bed adsorption (EBA) is a primary recovery technology allowing the adsorption of target proteins from unclarified feedstock, by an increase in bed voidage, combining separation, concentration and purification steps. First, a new column with a conical distributor has been specially designed to avoid any grid and limit problems of clogging with high cellular concentration culture broth. This column gives a better efficiency compared with commercial ones. Second, a physico-chemical study of the interaction between adsorbent beads and the yeast S. Cerevisiae demonstrated the importance of considering the real working conditions, integrating the hydrodynamics and all kind of interactions (electrostatic, Lifshitz-van der Waals and polar interactions). Then, the lipase of Yarrowia lipolytica has been well purified by this technique using the new column with conical distributor, directly from unclarified feedstock. The yield reached 98. 8% and the purification factor approached 3. 55

La micro-oxygénation des vins, par la dispersion de bulles d'oxygène, est une pratique de plus en plus utilisée dans le domaine de l'œnologie. Cette technique n'est pas toujours convenablement maitrisée par manque de connaissances scientifiques sur les paramètres régissant le transfert de l'oxygène. La recherche s'est focalisée sur l'étude des coefficients de transfert en fonction des composés du vin (CO2, éthanol, sucrose, consommateurs d'oxygène) et des conditions opératoires (type de diffuseur, température, rapport entre hauteur et diamètre du contenant de liquide). Les résultats montrent que lors de la micro-oxygénation, le dioxyde de carbone dissous et le sucrose ont une incidence négative sur le transfert alors que la présence d'éthanol améliore le transfert. En ce qui concerne les conditions opératoires, l'augmentation de débit de gaz et l'augmentation de rapport entre la hauteur et le diamètre de la cuve de micro-oxygénation joue positivement sur le transfert d'oxygène La surface spécifique des bulles et le coefficient de transfert de matière ont pu être dissociés pour les vins. La nature tensio-active des composés du vin semble être un élément important sur le transfert de matière. Les connaissances acquises ont été appliquées à la micro-oxygénation au cours de deux étapes de l'élaboration des vins : la fermentation alcoolique avec la maitrise de l'apport d'oxygène et la simulation de la technique d'élevage en barrique par micro-oxygénation couplée à l'ajout de copeaux de bois. Une nouvelle approche concerne l'étude d'un contacteur membranaire qui permet le transfert d'oxygène par diffusion.

La biotechnologie exploite depuis de très nombreuses années une importante collection de micro-organismes pour fabriquer des produits dans des secteurs tels que l’alimentation et la santé. Elle s’inscrit aujourd’hui parfaitement dans la transition écologique du secteur de la chimie et de l’environnement, en concevant des produits performants pour substituer les produits d’origine pétrolière. Les champignons filamenteux représentent d’importants organismes en biotechnologies industrielles, largement utilisés pour la production de métabolites d’intérêts commerciaux tels que les antibiotiques, les enzymes ou encore les acides organiques. Leurs mises en œuvre en milieu liquide attirent continuellement de nouvelles recherches afin de surmonter les problèmes associés à leur comportement. En effet ce mode de culture engendre différentes morphologies fongiques, dépendantes principalement de leur propriétés biologiques intrinsèques mais aussi des conditions physico-chimiques au sein de leur environnement. Cette caractéristique conditionne bien souvent leur mise en œuvre et leur productivité.Cette thèse propose une étude originale dont l’objectif est d’identifier et de contrôler les phénomènes sous-jacents qui influent sur la morphogénèse des champignons. Pour cela nous proposons des recherches couplant des études fondamentales et appliquées sur plusieurs souches de fort intérêt industriel. Nous avons investigué, mis au point et développé différentes techniques pionnières dans la maitrise de la morphologie fongique. La mise en œuvre de microparticules et le développement d’une technique d’encapsulation par microfluidique ont permis de confirmer et d’approfondir les mécanismes relatifs à l’agrégation des conidies de champignon. D’autre part, l’ajout de sels minéraux dans le milieu de culture a montré l’affranchissement de l’agrégation des hyphes de champignons. Pour concrétiser une extrapolation des résultats vers un procédé industriel, ces outils ont également été implémentés au cours des premières étapes de changement d’échelle. Ainsi ces travaux apportent des résultats et des perspectives concrètes dans la maîtrise des bioprocédés impliquant les champignons filamenteux
Biotechnology has for many years operated a large collection of microorganisms in food and health sectors. Today, this field fits perfectly into the ecological transition of chemical and environmental sectors, by designing high-performance processes to replace petroleum products. Filamentous fungi represent important organisms in industrial biotechnologies, widely used for the production of metabolites with strong commercial interests such as antibiotics, enzymes or organic acids. Their implementation in submerged environment is continually attracting new research to overcome issues associated with their behavior. Indeed, this mode of cultivation generates different fungal morphologies, mainly dependent on their intrinsic biological properties but also on physico-chemical conditions within their environment. This characteristic of filamentous fungi very often influences their implementation and their productivity.This thesis proposes an original study to identify and control the underlying phenomena that influence fungal morphogenesis. To this end, we propose research combining fundamental and applied studies on several strains of strong industrial interest. We have investigated and developed various pioneering techniques for the control of fungal morphology. Microparticles implementation and development of a microfluidic encapsulation technique allowed us to confirm and deepen the aggregation mechanisms of fungal conidia. On the other hand, the addition of mineral salts in the culture medium prevented hyphae aggregation. To validate an extrapolation of these results towards an industrial process, these tools were also implemented during the first steps of scale-up. These works bring results and perspectives in the control of bioprocesses involving filamentous fungi

Dans le but d'améliorer les performances de la filtration membranaire par des moyens hydrodynamiques, notre travail était d'explorer l'apport à la filtration de tourbillons de Dean générés par la courbure de l'écoulement dans des modules de filtration spécialement construits à cet effet. Nous avons effectué des essais sur trois modules de géométrie différente en testant la superposition de pulsations de débit qui provoquent une inversion du sens de rotation des tourbillons de Dean, Le besoin de mieux connaître et vérifier les profils de vitesse et les taux de cisaillement générés par ces écoulements complexes et tridimensionnels présents dans nos modules nous a amenés à expérimenter une nouvelle technique de vélocimétrie basée sur l'imagerie par résonance magnétique ( IRM). Les techniques de filtration que nous avons utilisées étant par leur complexité plus adaptées à la séparation de molécules à haute valeur ajoutée nous avons choisi comme exemple d'application l'extraction d'une enzyme, lagarase à partir d'un moût de fermentation. Toutefois, du fait des faibles volumes de moûts disponibles nous avons été amenés à effectuer les essais comparatifs sur les divers modules avec des suspensions de levures de bière considérées comme fluide modèle d'une suspension bactérienne.

La micro-oxygénation des vins, par la dispersion de bulles d’oxygène, est une pratique de plus en plus utilisée dans le domaine de l’œnologie. Cette technique n’est pas toujours convenablement maitrisée par manque de connaissances scientifiques sur les paramètres régissant le transfert de l’oxygène. La recherche s'est focalisée sur l'étude des coefficients de transfert en fonction des composés du vin (CO2, éthanol, sucrose, consommateurs d’oxygène) et des conditions opératoires (type de diffuseur, température, rapport entre hauteur et diamètre du contenant de liquide). Les résultats montrent que lors de la micro-oxygénation, le dioxyde de carbone dissous et le sucrose ont une incidence négative sur le transfert alors que la présence d’éthanol améliore le transfert. En ce qui concerne les conditions opératoires, l’augmentation de débit de gaz et l’augmentation de rapport entre la hauteur et le diamètre de la cuve de micro-oxygénation joue positivement sur le transfert d’oxygène La surface spécifique des bulles et le coefficient de transfert de matière ont pu être dissociés pour les vins. La nature tensio-active des composés du vin semble être un élément important sur le transfert de matière. Les connaissances acquises ont été appliquées à la micro-oxygénation au cours de deux étapes de l'élaboration des vins : la fermentation alcoolique avec la maitrise de l’apport d’oxygène et la simulation de la technique d’élevage en barrique par micro-oxygénation couplée à l’ajout de copeaux de bois. Une nouvelle approche concerne l'étude d'un contacteur membranaire qui permet le transfert d’oxygène par diffusion
Micro-oxygenation of the wines, by the dispersion of oxygen bubbles, is a practice increasingly used in oenology. This technique is not always suitably controlled for lack of scientific knowledge on the parameters governing the transfer of oxygen. Research was focused on the study of transfer coefficients in function of wine components (CO2, ethanol, sucrose, consuming oxygen) and of operating conditions (type of diffuser, temperature, relationship between height and diameter of the container of liquid). The results show that during micro-oxygenation, the dissolved carbon dioxide and the sucrose have a negative incidence on the transfer whereas the presence of ethanol improves the transfer. As operating conditions are concerned, the increase in gas output and the increase in micro-oxygenation tank height/diameter ratio positively influence oxygen transfer. For wines, the specific surface of the bubbles and the mass transfer coefficient could be dissociated. The surfactant nature of wine components seems to be the most important factor in mass transfer. The knowledge so acquired was applied to micro-oxygenation during two stages of wine making: alcoholic fermentation with the oxygen yield control and the simulation of ageing technique in barrels coupled with the wood chips addition. A new approach relates to the study of a membrane contactor application allowing the oxygen transfer by diffusion

Ce travail consistait à caractériser et suivre les changements de la composition chimique des cidres à distiller durant leur élaboration. Pour répondre à cet objectif, pendant deux campagnes de production (2007/2008 et 2008/2009), une centaine d’échantillons de cidre a été prélevée sur 4 cuves différentes se déclinant sous deux AOC et trois savoirs faire (industriel, artisanal et fermier). Les teneurs en sucres ont été déterminées par dosage enzymatique, les acides malique et lactique ont été dosés par CLHP/UV et les composés volatils ont été suivis par CPG/SM après SPE et concentration. De manière générale, les sucres sont consommés rapidement dans le cas de cuves industrielles contrairement aux cuves artisanale et fermière, au frais et de plus petit volume. Des fermentations malolactiques (FML) ont été repérées seulement pour les cuves industrielles et pour la cuve artisanale sur une année. Quand elle a lieu, la FML se déroule très rapidement (moins d’un mois) et de façon simultanée avec la fermentation alcoolique. L’apparition d’une FML se caractérise par l’apparition d’acétates (acétate de 2-phényléthyle et de 3-méthylbutyle) en début de procédé et une présence importante d’acide carboxyliques et de dérivés volatils des acides lactique et succinique plutôt en fin. In fine, des composés comme l’acétoïne, le butanol et l’hexanol sont présents de manière plus importante dans les cidres où une FML n’a pas lieu. En revanche, peu de différences ont été observées pour l’évolution régulière des alcools supérieurs. Un contrôle systématique des pommes et de la température des cuves permettrait d’obtenir une meilleure répétabilité du cidre à distiller
This manuscript handles with the characterisation and changes of chemical composition of cider to be distilled, from the fruit juice to the distillation step. For two years (2007/2008 and 2008/2009), about 100 sample of ciders were taken and issued from 4 tanks representing two different French labels and three different cider-making technologies (industrial, small-scale and farm production). Content of sugars was determined by enzymatic method, malic and lactic acids were quantified by HPLC/UV and volatile composition was fallowed by GC/MS after Solid-Phase Extraction and concentration. Sugars consumption was faster for the industrial productions than in farmer’s and home-made’s ones. Malolactic fermentation (MLF) seems to be characteristic of industrial productions and takes place quickly, less than one month is necessary to degrade the initial malic acid content. This transformation was found to be simultaneous to the alcoholic fermentation. The occurrence of MLF is characterized by an important apparition of acetates (2-phenylethyl and 3-methulbutyl acetates) in a first period and a more important concentrations of carboxylic acids and volatile derivatives of lactic and succinic acid in the final. In fine, compounds as acetoin, butanol and hexanol are more concentrated in ciders where a MLF did not occurred. Differences were not significant for higher alcohols; they are changing during the alcoholic fermentation even if their progression seems to be slower when lactic acid bacteria are very active. A control of the quality of apples and the temperature of casks could be enabling a better repeatability of the cider devoted to the distillation of Calvados

Ce travail consistait à caractériser et suivre les changements de la composition chimique des cidres à distiller durant leur élaboration. Pour répondre à cet objectif, pendant deux campagnes de production (2007/2008 et 2008/2009), une centaine d'échantillons de cidre a été prélevée sur 4 cuves différentes se déclinant sous deux AOC et trois savoirs faire (industriel, artisanal et fermier). Les teneurs en sucres ont été déterminées par dosage enzymatique, les acides malique et lactique ont été dosés par CLHP/UV et les composés volatils ont été suivis par CPG/SM après SPE et concentration. De manière générale, les sucres sont consommés rapidement dans le cas de cuves industrielles contrairement aux cuves artisanale et fermière, au frais et de plus petit volume. Des fermentations malolactiques (FML) ont été repérées seulement pour les cuves industrielles et pour la cuve artisanale sur une année. Quand elle a lieu, la FML se déroule très rapidement (moins d'un mois) et de façon simultanée avec la fermentation alcoolique. L'apparition d'une FML se caractérise par l'apparition d'acétates (acétate de 2-phényléthyle et de 3-méthylbutyle) en début de procédé et une présence importante d'acide carboxyliques et de dérivés volatils des acides lactique et succinique plutôt en fin. In fine, des composés comme l'acétoïne, le butanol et l'hexanol sont présents de manière plus importante dans les cidres où une FML n'a pas lieu. En revanche, peu de différences ont été observées pour l'évolution régulière des alcools supérieurs. Un contrôle systématique des pommes et de la température des cuves permettrait d'obtenir une meilleure répétabilité du cidre à distiller.