Identification des critères d’extrapolation du procédé de production de cellulases par Trichoderma reesei en utilisant l’approche « scale-down »

Résumé : Le procédé de production d’éthanol à partir de biomasse lignocellulosique nécessite l’hydrolyse de cette dernière en sucres simples. Cette hydrolyse est le plus souvent réalisée par voie biologique grâce à des enzymes appelées cellulases. La production de ces enzymes représente cependant un verrou économique majeur au développement du procédé à grande échelle. Les cellulases sont généralement produites industriellement par le champignon filamenteux aérobie Trichoderma reesei, doté d’une forte capacité de sécrétion d’enzymes. Les cultures sont réalisées en bioréacteurs aérés et agités mécaniquement. Elles nécessitent de contrôler la concentration des substrats, ce qui requiert la maitrise de conditions hydrodynamiques et physicochimiques. En effet, le milieu de culture de T. reesei devient une suspension de cellules de champignons associées en filaments, de structure complexe, dont la viscosité augmente avec la concentration microbienne selon un comportement rhéofluidifiant. La viscosité est fonction de la morphologie du microorganisme qui peut, elle-même, varier avec les conditions de cultures. Cet accroissement de viscosité est un critère clef de l’extrapolation du procédé, car il affecte le transfert d’oxygène. Afin de maintenir une concentration en oxygène dissous suffisante, l’agitation et l’aération sont en général augmentées, entraînant un accroissement du cisaillement. Cet accroissement impacte en retour la morphologie du champignon, ralentit sa croissance puis diminue la production de cellulases. Ainsi, les conditions hydrodynamiques et rhéologiques engendrées au sein du bioréacteur sont complexes et variables dans le temps. L’interrelation entre conditions opératoires, morphologie, croissance du champignon et viscosité du moût de fermentation impose l’intégration de tous ces phénomènes pour l’optimisation du procédé, notamment à grande échelle. L’objectif de la thèse est de mettre en place une approche, visant à étudier au laboratoire la croissance de T. reesei et sa production d’enzymes, en reproduisant les contraintes hydrodynamiques associées aux conditions de fonctionnement des fermenteurs industriels. Pour ce faire, deux méthodologies originales ont été développées : une méthode de mesure de la viscosité du milieu, optimisée pour les champignons filamenteux, représentative des conditions rencontrées à grande échelle et qui s’appuie sur l’utilisation d’un rhéomètre rotatif équipé d’un rotor hélicoïdal ; une méthode d’analyse d’images associant un microscope motorisé et des algorithmes d’analyse d’images innovants, qui permet de générer des données sur la morphologie du champignon et d’identifier un critère morphologique pertinent basé sur le nombre de « trous » au sein d’un filament. Parallèlement à ces méthodes, différentes contraintes de cisaillement ont été mises en oeuvre en fermentation, afin de reproduire, à l’échelle du laboratoire, les conditions rencontrées à l’échelle industrielle. Ces outils ont été utilisés conjointement et validés lors de cultures non conventionnelles mimant les conditions industrielles en termes de cisaillement. Ils ont permis d’identifier un critère représentatif du cisaillement (EDCF) et d’établir, à partir de ce critère, des corrélations capables de prédire la viscosité du moût de fermentation, le taux de croissance maximum du microorganisme ainsi que certains paramètres morphologiques de la souche. De façon originale, ces corrélations déterminées à l’échelle du laboratoire ont été validées par des mesures effectuées à l’échelle industrielle. Au final, l’approche développée permet d’identifier au plus tôt les contraintes d’extrapolation à ne pas dépasser, afin d’orienter les choix technologiques des fermenteurs industriels impliquant des champignons filamenteux.
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Biotechnologies. Université Paris-Saclay, 2016. Français. 〈NNT : 2016SACLA017〉
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Soumis le : vendredi 17 novembre 2017 - 14:33:21
Dernière modification le : dimanche 19 novembre 2017 - 01:19:04
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Nicolas Hardy. Identification des critères d’extrapolation du procédé de production de cellulases par Trichoderma reesei en utilisant l’approche « scale-down ». Biotechnologies. Université Paris-Saclay, 2016. Français. 〈NNT : 2016SACLA017〉. 〈tel-01637274〉

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