Soutenance de thèse Mattéo Castiello

Résumé

Les polyhydroxyalcanoates (PHA), une classe de polymères biodégradables et biosourcés, constituent une alternative attractive pour substituer, en partie, les plastiques conventionnels issus des énergies fossiles. Le copolyester poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalérate) (P(3HB-co-3HV)) pour lequel les caractéristiques thermomécaniques sont étroitement 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. Elles permettent notamment d’avoir recours à des substrats complexes tels que des déchets organiques, qui doivent être au préalable convertis en AGV par fermentation acidogène.

En cultures microbiennes mixtes (CMM), les procédés de production de PHA sont généralement réalisés en deux étapes, avec une étape d’enrichissement en microorganismes 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 CMM 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 uniquement 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, conduites sur d’autres substrats carbonés a permis d’évaluer l’influence de la nature de la source de carbone sur la direction de la consommation du substrat (entre croissance cellulaire, stockage de PHA et réactions de maintenance).

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 (nature du substrat carboné, degré de limitation en phosphore, taux de dilution) sur la sélection microbienne. En particulier, il a été mis en évidence que les abondances relatives des populations majoritaires lors des cultures alimentées avec un mélange incluant du propionate étaient largement conditionnées par le niveau de limitation en phosphore. 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. Cette étude en régime dynamique a contribué à spécifier les substrats assimilables et préférentiels. De surcroit, 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 du substrat carboné, de la composition bactérienne des consortia sélectionnés et de l’état physiologique des cellules (i.e. 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 nutritionnelle supplémentaire (azote) sur les cinétiques de production de PHA ont été évalués en batch et intégrés au modèle cinétique. Il a été mis en exergue qu’une carence en azote restreignait les vitesses d’accumulation de PHA. La confrontation du modèle aux résultats expérimentaux obtenus dans l’étage de production du réacteur continu bi-étagé 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.