Hydrogen and lactic acid synthesis through capnophilic lactic fermentation by Thermotoga neapolitana

par Nirakar Pradhan

Thèse de doctorat en Sciences et Techniques de l'Environnement

Sous la direction de Michel Madon et de Eric Van Hullebusch.

Soutenue le 15-12-2016

à Paris Est en cotutelle avec l'Università degli studi (Cassino, Italie) , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire Géomatériaux et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne) (laboratoire) et de Laboratoire Géomatériaux et Environnement / LGE (laboratoire) .

Le président du jury était Eric Van Hullebusch.

Le jury était composé de Michel Madon, Giovanni Esposito, Piet N. L. Lens, Antonio Panico, Giuliana D'Ippolito.

Les rapporteurs étaient Roberto De Philippis, Katerina Stamatelatou.

  • Titre traduit

    Production d'hydrogéne et d'acide lactique par Thermotoga neapolitana au cours de la fermentation lactique


  • Résumé

    Les énergies non-renouvelables ont été d’un apport capital dans l’industrialisation et l’urbanisation dans les derniers centenaires. L’exploitation excessive des réserves d’hydrocarbures et son impact environnemental ont contribué au developpement de plusieurs technologies durables à caractère néo-carbone neutre. A cet effet, les processus biologiques comme la fermentation pourraient être exploités pour convertir biologiquement le hydrates de carbone en énergies comme l’hydrogène (H2) ou des acides organiques commercialement rentables. Ce travail a étudié les techniques d’ingénierie pour améliorer la synthèse simultanée d’H2 et d’acide lactique à travers des conditions de fermentation capnophile lactique (CLF) par une souche de labo de Thermotoga neapolitana.En un premier temps, une comparaison génotypique entre la souche de labo et celle sauvage a révélé une ressemblance de 88,1 (±2,4) %. En plus, les analyses du génotypage par RiboPrint® et par spectroscopie de masse matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight (MALDI-TOF MS) ont montré une différentiation génétique au-delà du niveau sous-espèce ; et par conséquent la souche de labo a été proposée comme sous-espèce, T. neapolitana subsp. lactica. Basé sur la caractérisation phénotypique, la souche de labo produisait 10-90% plus d’acide lactique que celle sauvage sous les mêmes conditions sans pour autant affecté le taux de production d’H2.La souche de labo a donc été étudiée pour aussi bien optimiser les conditions de croissance que pour estimer les paramètres cinétiques de croissance. Un nouveau modèle cinétique basé sur les principes de fermentation à l’obscurité (DF) et les expressions mathématiques Monod ont été développés pour permettre la simulation de la croissance en biomasse, la consommation de substrat, et la formation de produit. Le modèle n’a cependant pas pu faire une estimation des acides acétique et lactique avec précision du fait que le modèle DF n’a pas considéré la carboxylation de l’acide acétique en acide lactique par l’enzyme pyruvate ferrédoxine oxydoréductase (PFOR) sous les conditions CLF.Le model a été associé avec le mécanisme CLF et les paramètres cinétiques ont été recalibrés. Les paramètres cinétiques que sont le taux d’absorption spécifique maximum (k), la constante semi-saturation (ks), le coefficient en rendement biomasse (Y), et le taux de décomposition interne (kd) étaient de 1,30 l/h, 1,42 g/L, 0,12 et 0,02 l/h. Fait intéressant, le nouveau modèle CLF s’est parfaitement adapté avec les résultats expérimentaux et a estimé que près de 40-80% de la production d’acide lactique est attribué au recyclage de l’acide acétique et le CO2.En plus, l’adsorption de l’acide lactique par le carbone actif et les résines polymères anioniques a été appliquée avec succès comme technique de transformation en aval dans la récupération et la purification de l’acide lactique à partir du modèle de fermentation type T. neapolitana. Pour ce faire, ce travail de recherche constitue une étape majeure dans le domaine de la fermentation bactérienne utilisable pour de vastes applications scientifiques prenant en compte le développement d’énergies renouvelables et la production industrielle d’acide lactique


  • Résumé

    The environmental impact of excessive exploitation of fossil fuel reserves has inspired the innovation of several sustainable neo-carbon-neutral technologies. To that end, the biological processes like fermentation may be leveraged to bioconvert carbohydrate-rich feedstocks to fuels like hydrogen (H2) or commercially valuable organic acids like lactic acid. This research work investigated the engineering techniques for improving simultaneous synthesis of H2 and lactic acid under capnophilic (CO2-dependent) lactic fermentation (CLF) conditions by a lab strain of Thermotoga neapolitana.Primarily, the genotypic comparison between the lab strain and the wild-type revealed DNA homology of 88.1 (± 2.4)%. Genotyping by RiboPrint® and matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) analyses showed a genetic differentiation beyond subspecies level, hence the lab strain was proposed as a new subspecies, T. neapolitana subsp. lactica. The lab strain produced 10-90% more lactic acid, based on the phenotypic characterization, than the wild-type strain under similar operating conditions without impairing the H2 yield.The lab strain was then studied to optimize the growth conditions as well as to estimate the growth kinetic parameters. A new mathematical model based on the dark fermentation (DF) principles and Monod-like kinetic expressions was developed to enable the simulation of biomass growth, substrate consumption and product formation. The model failed to estimate acetic and lactic acid accurately, as the DF model did not consider the carboxylation of acetic acid to lactic acid by the pyruvate:ferredoxin oxidoreductase (PFOR) enzyme under CLF conditions. The model was then incorporated with the CLF mechanism and the kinetic parameters were recalibrated.The calibrated kinetic parameters, i.e. maximum specific uptake rate (k), semi-saturation constant (kS), biomass yield coefficient (Y) and endogenous decay rate (kd) were 1.30 1/h, 1.42 g/L, 0.12 and 0.02 1/h, respectively, under CLF conditions. The new CLF-based model fitted very well with the experimental results and estimated that about 40-80% of the lactic acid production is attributed to the recycling of acetic acid and CO2.In addition, the adsorption of lactic acid by activated carbon and anionic polymeric resins was successfully applied as a downstream processing technique for the recovery of lactic acid from a model T. neapolitana fermentation broth. This research work serves as a practical milestone in the field of microbial fermentation with a scope for wider scientific applications, including the development of bio-based renewable energy and industrial lactic acid production


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