Kinetic modeling for the enzymatic hydrolysis of cellulosic substrates

Modélisation cinétique de l'hydrolyse enzymatique des substrats cellulosiques. Influence de la structure et morphologie du substrat

Marie Chauve (1)

1 ESRF - European Synchrotron Radiation Facility

In the worldwide energetic context, developing new carburant is an important topic for researchers. The enzymatic hydrolysis of cellulose is still considered as a main limiting step of the biological production of biofuels from lignocellulosic biomass. In order to better understand mechanisms involved in this reaction, an experimental study have been performed. On the one hand; kinetic parameters of enzymes used during the enzymatic hydrolysis have been determined and on the other hand, we have studied the evolution of substrates morphology and reactivity during the reaction. Pure enzymes and mix of enzymes have been studied and we demonstrate that the entire cocktail secreted by Trichoderma reesei can be described by a mix of four main enzymes. Then, structural characterization of partially hydrolysed substrate have shown that cellulosic particles are eroded by enzymes. The developed kinetic model considering the intrinsic reactivity of each enzymes, the synergy between enzymes and a substrate description allows a good description of the initial stage of the reaction. However, the substrate reactivity loss and the enzyme deactivation had been introduced to have a good description of the entire reaction.

Dans le contexte énergétique actuel où le développement de carburant alternatif devient un enjeu majeur pour la recherche, ce travail se propose de développer un modèle cinétique prédictif de l'hydrolyse enzymatique de la cellulose qui représente une des étapes limitantes du procédés de production d'éthanol à partir de biomasse par voie biochimique. Pour mieux comprendre les mécanismes réactionnels mis en jeu, une approche expérimentale a été choisi, avec d'une part la caractérisation cinétique des enzymes impliquées dans la réaction d'hydrolyse et d'autres part le suivi de l'évolution des propriétés structurales et de la réactivité du substrat. L'étude de la réactivité des enzymes pures et en mélange a permis de montrer que le cocktail réel sécrété par Trichoderma reesei peut être représenté par un mélange de quatre enzymes majoritaires. Puis, la caractérisation multi-échelle de substrats partiellement hydrolysés a permis de mettre en évidence le mécanisme d'érosion des particules par les enzymes. Le modèle cinétique développé, prenant en compte la réactivité des enzymes pures, les phénomènes de synergies et une description du substrat a permis d'expliquer les résultats obtenus en cinétique initiale. Cependant, l'introduction des phénomènes de perte de réactivité du substrat et de désactivation des enzymes ont dus être introduit pour améliorer la prédiction du modèle en cinétique globale.

Mots clés: Enzymatic hydrolysis; Kinetic modeling; Cellulose; Enzyme

Mots clés: Modélisation cinétique; Hydrolyse enzymatique; Cellulose; Enzyme

Domaines: Autre [q-bio.OT]

Marie Chauve. Modélisation cinétique de l'hydrolyse enzymatique des substrats cellulosiques. Influence de la structure et morphologie du substrat. Autre [q-bio.OT]. Université de Grenoble, 2011. Français. ⟨NNT : 2011GRENV066⟩. ⟨tel-00680091⟩