Production de P(3HB-co-3HV) en réacteur continu bi-étagé ouvert : influence de la source de carbone sur la sélection microbienne et l'accumulation du biopolymère - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

P(3HB-co-3HV) production in an open two-stage continuous culture system : influence of the carbon source on microbial selection and biopolymer accumulation

Production de P(3HB-co-3HV) en réacteur continu bi-étagé ouvert : influence de la source de carbone sur la sélection microbienne et l'accumulation du biopolymère

Mattéo Castiello
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1302504
  • IdRef : 272927945

Résumé

Polyhydroxyalkanoates (PHA), biodegradable and biosourced polymers, constitute an attractive alternative to substitute in part conventional plastics derived from fossil fuels. In particular, the poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (P(3HB-co-3HV)) copolyester, whose thermomechanical properties are correlated to the 3HV content, has characteristics in line with industrial requirements. To limit production costs and make PHA more competitive, the use of non-axenic cultures is receiving increasing attention.In mixed microbial cultures (MMC), PHA production processes are generally carried out in two steps, with a step of enrichment in PHA-storing microorganisms, and a second step of PHA accumulation by the selected consortia. Although the majority of PHA production processes in MMC are executed in discontinuous mode, continuous processes are of real interest. It was previously demonstrated that applying a double carbon and phosphorus limitation in continuous culture ensured a robust enrichment of PHA producers. Nevertheless, this selection strategy has only been tested on acetate or acetate/butyrate, validating this strategy for PHB producers only.In this context, this thesis sought to study and develop a process for the production of P(3HB-co-3HV) in a two-stage continuous reactor from mixed cultures from activated sludge.The reproducibility of the selection was tested with two mixtures integrating propionate (acetate/propionate and butyrate/propionate), emphasizing a systematic functional selection of PHA-producers. By comparing the results with previous studies carried out with other carbon substrates, the influence of the nature of the carbon source on the direction of the consumption of the substrate was evaluated.A microbiological qualification of the selected consortia was performed through the study of the dynamics of selection and the identification of the dominant microbial genera (Acinetobacter, Malikia and Zoogloea). The influence of operating parameters (nature of the carbon source, level of phosphorus limitation, dilution rate) on microbial enrichment was assessed. In addition, the use of Monod’s model has contributed to a better understanding of the mechanisms that govern microbial competition.The microbial consortia were also qualified on the kinetic aspect, particularly in terms of PHA accumulation potential, by means of cultures in batch mod under phosphorus-deficient conditions. Based on the determination of the maximum specific rates of PHA production, combined with a kinetic model, the influence of the nature of the carbon substrate, the bacterial composition of the selected consortia and the intracellular phosphorus content on PHA accumulation capacity was depicted. Two classes of PHA producers could essentially be distinguished: poor producers (Acinetobacter) and overproducers (Zoogloea, Malikia).Moreover, the effects of the application of an additional nitrogen deficiency on the kinetics of PHA production were evaluated in batch reactors and integrated into the kinetic model. Nitrogen deficiency has been shown to restrict PHA accumulation rates. The confrontation of the model with the experimental data obtained in the production stage of the two-stage continuous reactor has strengthened and improved the understanding of the mechanisms which govern the performance of PHA storage in continuous cultures. The model was then used as a prediction tool to define the optimal conditions for the process.Finally, the influence of all the operating conditions was examined from the point of view of the monomeric composition of the P(3HB-co-3HV) copolymer. It was established that the 3HV content could be maximized by increasing the propionate fraction in the feed, rather associating it with acetate (instead of butyrate) and applying phosphorus deficiency exclusively.
Les polyhydroxyalcanoates (PHA), une classe de polymères biodégradables et biosourcés, constituent une alternative attractive pour substituer en partie les plastiques conventionnels. Le copolyester poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalérate) (P(3HB-co-3HV)) pour lequel les caractéristiques thermomécaniques sont liées à la fraction en 3HV, possède des propriétés qui répondent aux exigences industrielles. Pour limiter les coûts de production et rendre le PHA plus compétitif, l’utilisation de cultures non axéniques fait l’objet d’une attention grandissante.En cultures microbiennes mixtes (MMC), les procédés de production de PHA sont généralement réalisés en deux étapes, avec une étape d’enrichissement en organismes accumulateurs de PHA, et une deuxième étape de production de PHA par les consortia sélectionnés. Bien que la majorité des procédés de production de PHA en MMC soit opérée en culture discontinue, les procédés continus présentent un réel intérêt. Il a été précédemment démontré qu’appliquer une double limitation en carbone et phosphore en culture continue assurait un enrichissement robuste en accumulateur de PHA. En revanche, la sélection n’a été expérimentée que sur acétate ou acétate/butyrate, ne permettant de valider cette stratégie de sélection que pour des producteurs de PHB.Dans ce contexte, cette thèse a cherché à étudier et développer un procédé de production de P(3HB-co-3HV) en réacteur continu bi-étagé à partir de cultures mixtes issues de boues activées.La reproductibilité de la stratégie de sélection a été éprouvée avec deux mélanges intégrant du propionate (acétate/propionate et butyrate/propionate), mettant en avant une sélection fonctionnelle systématique de stockeurs de PHA. La comparaison des résultats obtenus avec des études antérieures a permis d’évaluer l’influence de la nature de la source de carbone sur la direction de la consommation du substrat.Une qualification microbiologique des consortia sélectionnés a été réalisée avec l’étude des dynamiques de sélection et de l’identification des genres microbiens dominants (Acinetobacter, Malikia et Zoogloea). Elle a pu rendre compte de l’influence des conditions opératoires sur la sélection microbienne. Par ailleurs, l’emploi du modèle de Monod a concouru à mieux assimiler les mécanismes qui dictent la compétition microbienne.Les consortia microbiens ont été également qualifiés cinétiquement, notamment en termes de potentialités de stockage de PHA, au moyen de cultures en réacteur batch en conditions de carence en phosphore. La détermination des vitesses spécifiques maximales de production de PHA, associée à l’utilisation d’un modèle cinétique, a permis de dépeindre l’influence de la nature de la source de carbone, de la composition des consortia sélectionnés et de la teneur intracellulaire en phosphore sur les capacités d’accumulation de PHA. Deux classes de producteurs de PHA ont pu être essentiellement distinguées : les producteurs médiocres (Acinetobacter) et les surproducteurs (Malikia, Zoogloea).De plus, les effets de l’application d’une carence supplémentaire en azote sur les cinétiques de production de PHA ont été évalués en batch et en continu, puis intégrés au modèle cinétique. Il a été mis en exergue que l’absence d’azote restreignait les vitesses d’accumulation de PHA. La confrontation du modèle aux résultats expérimentaux a conforté et amélioré la compréhension des processus qui gouvernent les performances de production de PHA en réacteur continu. Le modèle a, par la suite, été exploité comme outil de prédiction pour identifier les conditions optimales du procédé.Enfin, l’influence de l’ensemble des conditions opératoires a été examinée du point de vue de la composition monomérique du copolymère P(3HB-co-3HV). Il a été établi que la fraction en 3HV a pu être maximisée en augmentant la teneur en propionate dans l’alimentation, en l’associant préférentiellement à l’acétate et en appliquant exclusivement une carence en phosphore.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04268499 , version 1 (02-11-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04268499 , version 1

Citer

Mattéo Castiello. Production de P(3HB-co-3HV) en réacteur continu bi-étagé ouvert : influence de la source de carbone sur la sélection microbienne et l'accumulation du biopolymère. Génie des procédés. INSA de Toulouse, 2023. Français. ⟨NNT : 2023ISAT0016⟩. ⟨tel-04268499⟩
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