Etude des possibilités de valorisation des pentoses par fermentation alcoolique d'hydrolysats de paille de blé.

Ethanol production by microbial conversion of pentoses from wheat straw hydrolysates

• Auteur / Autrice : Romain Fromanger
• Direction : Carole Molina
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie microbienne et enzymatique
• Date : Soutenance le 20/12/2010
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'ingénierie des systèmes biologiques et des procédés (Toulouse)
• Jury : Président / Présidente : Gerard Goma
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carole Molina, Xavier Cameleyre, Jean Tayeb
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claude-gilles Dussap, Charles Ghommidh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Candida

Bioéthanol

Résidus de récolte

Fermentation alcoolique

Mots clés libres

Limitation en oxygène

Pentoses

Co-culture

Xylose

Glucose

Ethanol

Modélisation

Pentoses

Oxygen limitation

Model

Co-culture

Ethanol

Glucose

Xylose

Résumé

La levure Candida shehatae est le microorganisme modèle d’étude choisi. Cette levure peutconvertir le xylose et le glucose en éthanol, contrairement à Saccharomyces cerevisiae, levuretraditionnellement utilisée dans les procédés industriels, qui ne peut convertir le xylose.L’optimisation des performances de production d’éthanol à partir de xylose passe par unemaximisation des trois critères suivants : la productivité volumique, le titre final et lerendement éthanol/xylose. Pour diriger le flux de carbone vers la production d'éthanol defaçon optimale, le paramètre majeur qu’il faut contrôler est le degré de limitation en oxygène.Les cultures sont réalisées sur milieu minéral en mode fed-batch et conduites en deux phases :aérobie puis limitation en oxygène. Une valeur moyenne de la vitesse spécifique derespiration (qO2) de 1,19 mmolO2/gX/h permet de maximiser les trois critères deperformances sur xylose : le rendement en éthanol (0,327 gETOH/g-xylose), la productivitéspécifique maximale (0,22 gETOH/gX/h) et le titre en éthanol final (48,81 g/L). Pour lafermentation du glucose, le rendement en éthanol le plus élevé (0,411 gETOH/g-glucose) estobtenu lorsque qO2 est faible et a pour valeur moyenne 0,30 mmolO2/gX/h; tandis que laproductivité spécifique et le titre en éthanol final atteignent les valeurs maximales de 0,35gETOH/gX/h et 54,19 g/L pour respectivement qO2 de 1,7 et de 2,5 mmolO2/gX/h.Pour la consommation simultanée des deux substrats, un phénomène de répression du glucosesur le xylose est démontré par expérience en chemostat de pulse glucose en régime stabilisésur xylose. La simple présence intra-cellulaire des enzymes de la voie du xylose (XR andXDH) ne permet pas la co-consommation efficace des deux sucres et le glucose estpréférentiellement consommé.Afin de structurer la connaissance acquise sur le métabolisme de C. shehatae et pouvoiroptimiser par simulation les co-cultures C. shehatae / S. cerevisiae pour la productiond’éthanol à partir de mélanges xylose/glucose, un modèle cinétique de C. shehatae estconstruit. Ce modèle est validé avec des cultures sur substrats purs (xylose et glucoseséparés). Un modèle cinétique de co-culture est ensuite développé de manière à simulerdifférentes stratégies de fermentation pour l’optimisation de la production d’éthanol surmélange xylose/glucose de type hydrolysats de paille de blé

The yeast Candida shehatae was the model microorganism of the study. This yeast canconvert xylose and glucose into ethanol, unlike Saccharomyces cerevisiae traditionally usedin industrial processes, which cannot convert xylose. Performance optimization of ethanolproduction from xylose is performed through maximization of the following three criteria:volumetric productivity, final ethanol titer and yield of ethanol over xylose. To direct thecarbon flux towards ethanol production, the major parameter which must be controlled is thelevel of oxygen limitation. Cultures are carried out in fed-batch in mineral medium andperformed in two phases: the first one is not limited in oxygen and the second one is oxygenrestricted. A mean value of qO2 equal to 1.19 mmolO2/gX/h maximizes the three criteria ofperformance on xylose: ethanol yield (0.327 gETOH/g-xylose), the maximum specificproductivity (0.22 gETOH/gX/h) and the final ethanol titer (48.81 g/L). For glucosefermentation, ethanol yield is the highest (0.411 gETOH/g-glucose) when qO2 is low as anaverage value of 0.30 mmolO2/gX/h, while the specific productivity and the ethanol final titerreach maximum values of 0.35 gETOH/gX/h and 54.19 g/L for respectively qO2 of 1.7 and2.5 mmolO2/gX/h.For the simultaneous consumption of the two substrates, a phenomenon of glucose repressionover xylose is observed in chemostat experiment with glucose pulse on xylose steady state.The presence of intracellular enzymes of the xylose pathway (XR and XDH) is not sufficientfor efficient co-consumption of both sugars and glucose is preferentially consumed.In order to structure the knowledge obtained on the metabolism of C. shehatae and tooptimize by simulation the co-culture C. shehatae / S. cerevisiae to produce ethanol fromxylose/ glucose mixtures, a kinetic model of C. shehatae is built. This model is validated withpure substrate cultures (xylose and glucose separated). A kinetic model of co-culture is thenbuilt in order to simulate several fermentation strategies to optimize the ethanol productionfrom xylose/glucose mixture similar to wheat straw hydrolysates