Bioconversion extractive d'acide 3-hydroxypropionique : mécanismes limitants et optimisation du procédé intégré - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2020

Bioconversion extractive d'acide 3-hydroxypropionique : mécanismes limitants et optimisation du procédé intégré

Extractive bioconversion of 3-hydroxypropionic acid : limiting mechanisms and integrated process optimisation

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Abstract

The increasing awareness on climate change has raised the concern of industries to reduce their dependency on fossil feedstocks. In the case of chemical industry, this has increased the demand for bio-based chemicals which has triggered the development of new and more efficient biotechnological processes. 3-hydroxypropionic acid (3-HP) is a platform molecule that can be produced from biomass and can be converted into a wide range of commercially valuable chemicals such as poly(3-hydroxypropionate) and acrylic acid. 3-HP production by microbial processes has made remarkable advances, but its industrial commercialization is still limited by low productivities caused by product inhibition and challenging recovery and purification. Reactive extraction, assisted by a hollow fibres membrane contactor (HFMC), also known as reactive pertraction, is a promising strategy to intensify 3-HP bioconversion and reduce downstream process costs. Several points remain to be better understood, however, to develop a continuous extraction system coupled to bioconversion and maintain a low acid concentration in the medium. This work aims to elucidate some key aspects for the proper design of such an integrated process. First, the reactive extraction of 3-HP was studied at the liquid-liquid interface scale through observation of the dynamic interfacial tension (IFT), in order to better understand the limiting mechanisms. It was found that mass transfer near the interface was not governed by diffusion only, suggesting that phenomena such as concentration-induced density gradients and associated buoyancy forces, or concentration-induced interfacial tension gradients and associated Marangoni convection can also play an important role. A comprehensive methodology for the selection of an organic phase composition, based on both extraction performance and biocompatibility with a 3-HP producing strain, Lactobacillus reuteri DSM 17938, was also developed. The effect of the composition of the selected organic phases was evaluated, highlighting the importance of finding a compromise between extraction yield, biocompatibility and viscosity, adapted to the microbial strain used. Finally, the integration of reactive pertraction with bioconversion was performed. Two different 3-HP producing strains, L. reuteri DSM 17938 and Acetobacter sp. CIP 58.66, were studied. It was observed that L. reuteri was very sensitive to reactive pertraction conditions. Moreover, bioconversion pH was not optimal for 3-HP extraction. Overall, 3-HP production and extraction were very limited in this integration attempt. In contrast, extractive bioconversion with Acetobacter sp. resulted in better performances. The integrated approach was did not significantly reduce the high 3-HP production capacities of the strain that showed a good resistance to the cumulative stresses, making it a promising candidate for extractive bioconversion. A significant imbalance between production and extraction rates was observed, however, leading to pH decrease during 3-HP production but this had a limited impact on Acetobacter sp. bioconversion ability. Further optimisation strategies where explored using a mathematical model as a simulation tool. The information obtained throughout this work paves the route to the design of an integrated and intensified bio-based 3-HP production process.
La sensibilisation croissante au changement climatique a suscité l’intérêt des industries pour réduire leur dépendance aux matières premières d’origine fossile. Dans le cas de l'industrie chimique, cela a augmenté la demande de produits chimiques bio-sourcés, ce qui a déclenché le développement de procédés biotechnologiques innovants et plus sobres. L'acide 3 hydroxypropionique (3-HP) est une molécule plateforme qui peut être produite à partir de la biomasse et peut être convertie en une large gamme de composés chimiques utilisés dans l'industrie des matériaux bio-sourcés comme le poly(3-hydroxypropionate) et les dérivés d’acrylates. L’obtention de 3-HP par voie microbiologique a connu des progrès remarquables, mais sa production commerciale est encore limitée par les faibles productivités dues à la retro-inhibition des microorganismes par leurs produits et des difficultés de récupération et de purification. Couplée en ligne à la bioconversion, l'extraction réactive assistée par un contacteur membranaire, également connue sous le nom de pertraction réactive, est une stratégie prometteuse pour lever les phénomènes d’inhibition et intensifier la bioconversion du 3-HP. Plusieurs verrous restent cependant à lever. Ce travail vise à élucider certains aspects clés pour la conception et la conduite d'un tel procédé intégré. Tout d'abord, le système d'extraction réactive a été étudié à l'échelle de l’interface liquide-liquide en combinant la mesure expérimentale à la modélisation de la tension interfaciale dynamique (IFT) pendant l'extraction du 3-HP, afin de mieux comprendre les mécanismes limitants. Il a été constaté que le transfert de matière près de l'interface n'était pas régi seulement par la diffusion moléculaire, ce qui suggère que des phénomènes tels que les gradients de densité induits par la concentration et les forces de flottabilité associées, ou les gradients de tension interfaciale induits par la concentration et la convection de Marangoni associée, peuvent également jouer un rôle important. Une méthodologie complète pour la sélection d'une composition de phase organique, basée à la fois sur la performance d'extraction et la biocompatibilité avec une souche productrice de 3-HP, Lactobacillus reuteri DSM 17938, a également été développée. L'effet de la nature et de la concentration des solvants sélectionnés a été évalué et a souligné l'importance de trouver un compromis entre le rendement d'extraction, la viscosité et la biocompatibilité par rapport à la souche microbienne utilisée. Enfin, l'intégration de la pertraction réactive avec la bioconversion a été réalisée. Deux souches différentes produisant le 3-HP, L. reuteri DSM 17938 et Acetobacter sp. CIP 58.66, ont été utilisées. Il a été observé que L. reuteri est très sensible aux conditions de pertraction réactive. De plus, le pH de bioconversion n'était pas compatible avec les exigences d'une extraction réactive performante du 3-HP. Dans l'ensemble, la production et l'extraction de 3-HP étaient très limitées lors de cette tentative d'intégration mettant en œuvre L. reuteri. D'autre part, la bioconversion extractive avec Acetobacter sp. a permis d'obtenir de meilleures performances. L'approche intégrée n’a pas réduit significativement les capacités de production élevées de la souche, qui a montré une bonne résistance aux stress cumulés, ce qui en fait un excellent candidat pour la bioconversion extractive. Cependant, un déséquilibre important entre les taux de production et d'extraction a été mis en évidence, entraînant une diminution du pH pendant la production de 3-HP, mais cela a eu un impact limité sur la capacité de bioconversion d'Acetobacter sp. D'autres stratégies d'optimisation ont été explorées en utilisant un modèle mathématique comme outil de simulation. Les informations obtenues tout au long de ce travail ouvrent la voie à la conception d'un procédé intégré de production de 3-HP bio-sourcé intensifié.
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tel-03738028 , version 1 (25-07-2022)

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Ana Karen Sanchez Castañeda. Extractive bioconversion of 3-hydroxypropionic acid : limiting mechanisms and integrated process optimisation. Génie des procédés. Université Paris-Saclay, 2020. Français. ⟨NNT : 2020UPASA006⟩. ⟨tel-03738028⟩
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