Biohydrogen production and metabolic pathways in dark fermentation related to the composition of organic solid waste

par XinMei Guo

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Jean-Philippe Steyer et de Hélène Carrère.

Soutenue le 20-07-2012

à Montpellier 2 , dans le cadre de Sciences des Procédés – Sciences des Aliments (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015) , en partenariat avec LBE - Laboratoire de Biotechnologie de l'Environnement (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Lien entre production de biohydrogène et métabolites microbiens par voie fermentaire et la composition des déchets organiques solides


  • Résumé

    Cette étude vise à étudier l'effet de la composition de substrats organiques solides sur les performances de production d'hydrogène, les voies métaboliques associées et les changements des communautés microbiennes dans un réacteur discontinu (sCSTR). L'hydrogène est un vecteur énergétique idéal qui a gagné en intérêt scientifique au cours de la dernière décennie. L'H2 produit par voie biologique, ou biohydrogène, peut être produit par des procédés de fermentation sombre où les déchets organiques sont traités et avec la production de molécules à haute valeur ajoutée. Cependant, l'effet de la composition des déchets organiques solides sur la production de biohydrogène dans la fermentation sombre n'a pas encore été clairement élucidé. Au cours de cette étude, une revue bibliographique a été réalisée sur la production d'hydrogène à partir de déchets agricoles. Cette revue montre qu'une large gamme de performances en hydrogène peut être observée principalement en raison de la variabilité dans les compositions en même type de substrats et des conditions expérimentales appliquées. Après avoir optimisé un protocole de test de potentiel biohydrogène (BHP), une grande variété de substrats organiques solides visant à couvrir un grand panel de déchets a été testée pour fournir des données comparables à analyser. Les résultats d'une régression PLS ont montré que seuls les sucres solubles ou facilement disponibles éteint corrélaient avec la production d'hydrogène. En outre, les rendements d'hydrogène corrélaient aussi bien avec l'accumulation de butyrate, principale voie productrice de bioH2. Un modèle prédictif du rendement en hydrogène en fonction de la teneur en sucres a été proposé. Ensuite, des expériences ont été menées en réacteur semi-continu (sCSTR) avec le topinambour comme substrat solide. Il a été montré qu'une faible charge organique favorisait une production continue d'hydrogène tandis que l'accroissement de la charge organique introduisait la présence de voies concurrentes à la production d'hydrogène. De plus, les profils des empreintes moléculaires basées sur l'ADNr 16s ont montré que l'augmentation de la charge organique avait un impact significatif sur la diversité microbienne en favorisant l'implantation de microorganismes ne produisant pas d'hydrogène tels que des bactéries lactiques.


  • Résumé

    This study aims to investigate the effect of solid substrates composition on hydrogen production performances, metabolic pathways and microbial community changes in batch reactor and their dynamics in semi continuous reactors (sCSTR). Hydrogen is an ideal energy carrier which has gained scientific interest over the past decade. Biological H2, so-called biohydrogen, can especially be produced by dark fermentation processes concomitantly with value-added molecules (i.e. metabolic end-products), while organic waste is treated. However, the effect of solid organic waste composition on biohydrogen production in dark fermentation has not yet been clearly elucidated. In this study, a bibliographic review was made on hydrogen production from agricultural waste. This survey on literature showed that diverse performances were reported on hydrogen production due to the variability in substrate compositions and experimental conditions. After having optimized a protocol of biohydrogen potential test (BHP), a wide variety of organic solid substrates aiming to covering a large range of solid waste was tested to provide a comparable data analysis. The results of a PLS regression showed that only soluble carbohydrates or easily available carbohydrates correlated with hydrogen production. Furthermore, hydrogen yields correlated as well with butyrate H2-producing pathway which is consistent with the literature knowledge. A predictive model of hydrogen yield according to carbohydrate content was proposed. Then, experiments were carried out in sCSTR with Jerusalem artichoke tubers as a case study. It was shown that low organic loading rate favored continuous hydrogen production while higher organic loading introduced hydrogen competition pathways and decreased the overall hydrogen yields. Moereover, 16S rRNA gene based CE-SSCP profiles showed that increasing OLR had a significant effect on the microbial diversity by favoring the implementation of microorganisms not producing hydrogen, i.e. lactic acid bacteria.


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