Suivi de réactions biochimiques par calorimétrie en vue de la production de biocarburants de 2ème génération

Monitoring biochemical reactions by calorimetry for the production of second generation biofuels

• Auteur / Autrice : Djida Tafoukt - Boulous
• Direction : Jean-Henry Ferrasse, Audrey Soric
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 26/07/2016
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences de l'Environnement (Aix-en-Provence ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres (M2P2) (Marseille, Aix-en-Provence)
• Jury : Président / Présidente : Marc Héran
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Erwin Franquet, Jean-Claude Sigoillot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Héran, Jean-Louis Fanlo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomasse -- Combustion

Biocarburants

Mots clés libres

Calorimétrie isotherme

Biocarburant

Biomasse lignocellulosique

Hydrolyse

Fermentation

Enzymes

Cellulases

Cdh

Isothermal calorimetry

Biofuel

Lignocellulosic biomass

Hydrolysis

Fermentation

Enzymes

Cellulases

Cdh

Résumé

C'est dans un contexte marqué par une demande croissante en énergie primaire, une diminution des ressources et dans un souci de protection de l'environnement que le biocarburant de 2ème génération est développé. Cependant, ce biocarburant est non viable économiquement. L’optimisation, le contrôle et la connaissance des cinétiques régissant les procédés de fabrication de ce bioéthanol sont donc des éléments capitaux. Dans cette étude, le potentiel de la calorimétrie isotherme pour surveiller les réactions d'hydrolyse et de fermentation est testé.Les résultats montrent que cette méthode est efficace. En effet, celle-ci a permis de mettre en évidence l'importance du ratio enzyme/substrat pour maximiser le rendement et de déterminer un meilleur cocktail composé de cellulases + cellobiose déshydrogénase (CDH) qui permet la production d'une certaine quantité d'acide gluconique, qui pourrait améliorer l'attractivité de ce biocarburant. Ces mêmes essais ont également permis de déterminer la chaleur de l'hydrolyse de la paille de blé, qui est 32,18 ± 3,18 J.g-1 (gramme de sucres produits).Les mesures obtenues ont été utilisées pour déterminer les constantes cinétiques des cellulases + CDH sur la paille de blé et les résultats montrent que ce cocktail enzymatique est plus rapide à 45 °C dans la gamme de températures testée (40-55°C) avec une vitesse de 7,36 ± 0,62 mmol/L.min.Par ailleurs, les essais avec un calorimètre à échelle laboratoire ont montré que même si celui-ci ne mesure pas avec précision les chaleurs engendrées par les réactions d'hydrolyse et de fermentation, celui-ci donne de bonnes indications sur le déroulement et l'avancement de ces réactions.

Second generation biofuel is developed in a context marked by an increasing demand for primary energy, a decrease in resources and in environmental protection concernsHowever, this biofuel is not economically viable. Optimization, control and knowledge of the kinetics governing this bioethanol production processes are crucial elements.In this study the potential of isothermal calorimetry to monitor hydrolysis and fermentation reactions is tested.The results show that the isothermal calorimetry is an effective method. Indeed this method allowed determining that the substrate/enzyme ratio is an important parameter of the hydrolysis yield.Furthermore it has determined a better enzyme cocktail consisting of Cellulases + Cellobiose Dehydrogenase (CDH) which allows the production of a certain amount of gluconic acid, which could improve the attractiveness of these second-generation biofuels. These same tests also determined the hydrolysis heat of wheat straw which is 32.18 ± 3.18 J.g-1 (gram reducing sugars product).The measurements obtained were used to determine kinetic constants cellulases + CDH on wheat straw and the results show that this enzyme cocktail is faster at 45 ° C in the range of temperatures tested (40 - 55°C) with a speed of 7.36 ± 0.62 mmol/L.min.In addition, testing with a laboratory-scale calorimeter showed that even if this tool does not accurately measure the heat generated by the hydrolysis reaction and fermentation, it gives a good indication of the development and advancement of these reactions.