Nouveau concept de catalyse hybride pour l’obtention du 5-HMF à partir du glucose

par Alexandra Gimbernat

Thèse de doctorat en Ingénierie des Fonctions Biologiques

Sous la direction de Rénato Froidevaux, Jean-Sebastien Girardon et de Pascal Dhulster.

Soutenue le 08-12-2017

à Lille 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord) , en partenariat avec Procédés biologiques et génie enzymatiques et microbien (ProBioGEM) (équipe de recherche) et de Institut Charles Viollette (laboratoire) .

mots clés

• Catalyse enzymatique
• Catalyse acido-Basique
• Biocatalyse
• Organocatalyse
• 5-hydroxyméthylfurfural
• Membranes liquides
• Glucose -- Dérivés
• Fructose -- Déshydratation
• Isomérisation

Résumé

Les considérations environnementales actuelles encouragent la production d’intermédiaires chimiques bio-sourcés à travers des processus durables et plus respectueux de l'environnement nécessitent la conception de nouveaux systèmes catalytiques « sur mesure » recyclables. L’association de la catalyse biologique et de la catalyse chimique, appelée « catalyse hybride », fait partie de ces nouveaux concepts pouvant répondre aux défis émergents posés par la valorisation de la biomasse. C’est dans ce contexte d’émergence de la catalyse hybride que nous avons développé un procédé hybride innovant d’obtention de 5-hydroxyméthylfurfural (5-HMF), molécule plateforme clé pour l’obtention de monomères biosourcés, à partir du glucose. Les problèmes de compatibilités liées au couplage « one-pot » de l’enzyme d’isomérisation du glucose et du catalyseur chimique de déshydratation ont été résolus par la mise en œuvre d’une membrane liquide transportant le fructose. Les conditions réactionnelles optimales de chacune des 3 étapes du procédé (isomérisation du glucose, transport du fructose, déshydratation du fructose) ont été étudiées individuellement. Un premier procédé en « cascade » a alors été mis en place dans ces conditions, permettant de valider la faisabilité du procédé de production du 5-HMF. Un second procédé de catalyse hybride a ensuite été mis en place dans un réacteur innovant spécialement conçu. Ce procédé a permis de lever le verrou lié à la compatibilité des conditions des deux catalyseurs et de dépasser la limitation de rendement liée à l’équilibre thermodynamique de la réaction d’isomérisation.

Titre traduit

Hybrid catalysis, a new concept applied to 5-HMF production from glucose

Résumé

Current environmental considerations encourage the production of bio-sourced chemical intermediates through sustainable and environmentally friendly processes that require the design of new, custom-made, recyclable catalytic systems. The combination of biological catalysis and chemical catalysis, called "hybrid catalysis", is part of these new concepts that can meet the emerging challenges posed by the biomass valorization. In this context of hybrid catalysis emergence, we have developed an innovative hybrid process for obtaining 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF), a key platform molecule for biosourced monomers obtaining from glucose. Compatibility issues related to the "one-pot" coupling of the glucose isomerization enzyme and the chemical dehydration catalyst have been solved by the implementation of a liquid membrane carrying the fructose. Optimal reaction conditions of each of the 3 process steps (glucose isomerization, fructose transport, fructose dehydration) were studied individually. A first "cascade" process was then set up under these conditions, making it possible to validate the feasibility of the 5-HMF production process. A second hybrid catalysis process was then implemented in a specially designed innovative reactor. This process made it possible to remove the lock related to the compatibility of the operating conditions and to exceed the yield limitation related to the thermodynamic equilibrium of the isomerization reaction.