Mise en oeuvre de prétraitements de substrats (ligno)cellulosiques par liquides ioniques hydrophiles : étude compréhensive de la relation structure - saccharification enzymatique

par Thomas Auxenfans

Thèse de doctorat en Biochimie et Génie enzymatique

Sous la direction de Catherine Sarazin et de Sébastien Buchoux.

Soutenue en 2014

à Amiens , dans le cadre de École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens) , en partenariat avec Génie enzymatique et cellulaire (Compiègne) (laboratoire) .

Le jury était composé de Catherine Sarazin, Sébastien Buchoux, Nicolas Brosse, Bastien Doumèche, Alain Friboulet, Caroline Rémond.

Les rapporteurs étaient Nicolas Brosse, Bastien Doumèche.

mots clés

• Biomasse lignocellulosique
• Saccharification enzymatique
• Cellulose -- Biodégradation
• Génie biochimique
• Liquides ioniques

Résumé

Située dans le contexte de la valorisation de la biomasse lignocellulosique, cette étude a eu pour objectif de mettre en relation les paramètres structuraux pertinents des substrats (ligno)cellulosiques avec l'efficacité de leur dégradation enzymatique. Deux liquides ioniques hydrophiles à base de cations imidazolium et distincts par leurs anions ont été retenus et différentes conditions de prétraitements (durée / température) ont été appliquées à des substrats (ligno)cellulosiques. Le suivi quantitatif des cinétiques enzymatiques a été réalisé par HPLC. Les propriétés structurales et morphologiques ont été mises en évidence par RMN des solides, DRX et MEB. D'autres techniques ont été mises en oeuvre afin d'obtenir des informations complémentaires (porosité, surface spécifique, analyse chimique,. . . ). L'influence des liquides ioniques hydrophiles sur l'activité enzymatique de cellulases (isolées ou en mélange) et de xylanases montre la faisabilité de réaliser le prétraitement et l'hydrolyse enzymatique en une seule étape. Ce point fait apparaître un compromis entre l'efficacité du prétraitement et la dénaturation des enzymes. Basé sur le concept de bioraffînerie, la co-valorisation des fractions cellulosiques et hémicellulosiques a été envisagée à travers la mise en oeuvre combinée de prétraitements de substrats lignocellulosiques par liquides ioniques hydrophiles et par voie chimique (acide dilué) ou biologique (xylanases). Enfin, la réutilisation des liquides ioniques a été démontrée pour le prétraitement efficace de la (ligno)cellulose sans altération de leur intégrité structurale (RMN liquide)

Titre traduit

Hydrophilic ionic liquids pretreatments of (ligno)cellulosic substrates : a comprehensive study of the structure - enzymatic saccharification relation

Résumé

The aim of this study, within the context of the lignocellulosic biomass valorization, is to link structural parameters of (ligno)cellulosic substrates with their enzymatic saccharification performances. Two hydrophilic imidazolium based ionic liquids distinct by their anions were selected and different pretreatments conditions (duration / température) of (ligno)cellulosic substrates were carried out. The quantitative monitoring of enzymatic kinetics were performed by HPLC. Structural and morphological properties were studied by solid State NMR, XRD and SEM. Other means were also performed in order to bring additional information (porosity, spécifie surface, chemical analyses. . . ). The influence of these hydrophilic ionic liquids onto the enzymatic activity of both cellulases (individual or mixture) and xylanases demonstrated the feasibility to carry out the pretreatment and the enzymatic hydrolysis in one-single process. This study showed the formation of compromise between the pretreatment efficiency and the denaturation of enzymes. Based on the biorefinery concept, the co-valorization of the cellulosic and hemicellulosic fractions was performed through successive hydrophilic ionic liquids then chemical (diluted acid) or biological (xylanases) pretreatments of lignocellulosic substrates. Finally, the reuse of ionic liquids has been showed for the efficient pretreatment of (ligno)cellulose without any structural altération (liquid NMR)