Etude et modélisation de la fermentation IBE en biofilm

Study and modeling of the IBE fermentation using biofilm

• Auteur / Autrice : Maxime Carrié
• Direction : Mohamed Fadhel Ben Chaabane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologies
• Date : Soutenance le 09/11/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AgroParisTech (France ; 2007-....) - Institut français du pétrole Énergies nouvelles (Rueil-Malmaison, Hauts-de-Seine)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Landaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cédric Brandam, Nicolas Bernet, Laetitia Faure, Jean-christophe Gabelle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cédric Brandam, Nicolas Bernet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Productivité

Fermentation

Cytométrie de flux

Butanol

Isopropanol

Biofilms

Clostridium

Mots clés libres

Clostridium

Biofilm

Isopropanol

Butanol

Cytométrie en flux

Viabilité

Clostridium

Biofilm

Isopropanol

Butanol

Flow cytometry

Viability

Résumé

Depuis de nombreuses années, les biotechnologies sont employées dans la conception de nombreux biens de consommation à partir de ressources renouvelables. En effet, ces technologies sont capables de synthétiser des molécules d’intérêts à partir de ressources agricoles. Par exemple, la bactérie Clostridium beijerinckii, mise en culture dans cette thèse, dégrade naturellement des hexoses pour synthétiser des molécules plateformes : du butanol et de l’isopropanol. Cette bactérie souffre malheureusement, en mode « batch », d’une inhibition causée par le butanol, amenant à de faibles productivités. De nouveaux modes de fermentation continue ont donc été développés pour lever cette inhibition en soutirant le produit de réaction et augmenter la productivité volumique. Ils consistent à immobiliser les bactéries au sein d’un support pour maintenir une forte concentration en biomasse dans le réacteur. Ainsi, ce système permet de découpler le temps de séjour de la biomasse du temps de séjour hydraulique, et d’augmenter la productivité volumique du procédé. Pour autant, de nombreux paramètres de fermentation doivent encore être optimisés et compris afin de maximiser les performances et d’assurer la montée en échelle. En effet, la croissance des cellules immobilisées au sein du matériau support dépend de nombreux facteurs comme les propriétés du solide support, la conduite du procédé, ainsi que les conditions hydrodynamiques. Ces propriétés peuvent donc influencer le développement du biofilm et donc la productivité volumique du procédé. Par conséquent, les recherches de cette thèse ont porté sur le développement d’outils expérimentaux et numériques permettant de mieux comprendre les phénomènes mis en jeu. Les modèles dynamiques mis en place dans ce travail sont capables de décrire la croissance du biofilm et permettent de simuler les performances du procédé en prenant en compte les phénomènes de détachement et d’attachement des cellules. De plus, de nouvelles méthodologies de cytométrie en flux et microscopie confocale, appliquées à l’étude des biofilms, ont été mises au point. Elles permettent de quantifier la viabilité des cellules adhérées aux supports. Ces méthodologies permettent de décrire la viabilité du biofilm formé ainsi que de mesurer la croissance des cellules viables qui composent ce dernier. Ces résultats ont ainsi permis d’envisager de nouvelles stratégies de contrôle et/ou de conduite du procédé.

For many years, biotechnologies have been employed to design numerous consumers commodities from renewable resources. Those technologies allow to synthetize industrial interest molecules from agricultural commodities. The bacteria Clostridium beijerinckii can consume hexoses to produce two platform chemicals : isopropanol and butanol. However, this bacterium suffers from an inhibition caused by butanol accumulation which causes low productivities in batch fermentation. New continuous fermentation strategies have thus been developed. Bacteria were immobilized on porous support to maintain high cellular concentration and therefore enhance the process productivity. Numerous process parameters must be optimized and understood to maximize the process productivity and ensure the scale-up efficiency. The physicochemical properties of the solid support as well as the hydrodynamic conditions can influence the biofilm development and thus the productivity of the developed process. Consequently, this PhD research is focused on the development of numerical and experimental tools which allow to better understand these phenomena . Kinetic models were used to describe the biofilm development and allowed the simulation of the process performances while taking cells attachment and detachment from biofilm into account. Moreover, new methodologies using flow cytometry and confocal microscopy were developed to characterize biofilm cells viability. Those methodologies are powerful to measure the immobilized cells viability and to describe active cells accumulation within the solid support used during time. The use of flow cytometry to characterize biofilm cells viability also helped to consider new strategies for process control and operation.