Valorisation de substrats complexes et peu coûteux pour la production d'acide lactique par voie biologique

Au Québec, une nouvelle norme de gestion des déchets organiques entrera en vigueur en 2020. L'enfouissement des déchets organiques, comme les résidus agroalimentaires, sera interdit et de nouvelles voies de valorisation de ces déchets doivent donc être proposées. L'industrie agroalimentaire doit donc trouver des solutions afin de valoriser ces déchets. Les résidus agroalimentaires sont riches en sucres fermentescibles, comme le fructose, le glucose et le galactose, et sont donc des substrats envisageables pour toutes valorisations biotechnologiques. L'industrie papetière, importante au Québec, doit composer avec une nouvelle concurrence, soit l'essor des nouveaux médias numériques. L'industrie papetière doit donc trouver des solutions afin de conserver sa rentabilité. Dans cette optique, l'essor des bioraffineries ouvre plusieurs voies de recherche. Un co-courant du procédé de pâte Kraft soluble, comportant principalement des hémicelluloses, est inutilisé et pourrait avoir aussi un bon potentiel dans un bioprocédé, une fois hydrolysé pour y libérer les sucres, principalement du xylose. Par contre, celui-ci contient une quantité d'inhibiteurs potentiellement problématique. Le procédé de pâte thermomécanique, qui permet de séparer les sucres de la lignine dans la biomasse, permet donc de créer un courant, l'hydrolysat de pâte thermomécanique, composé essentiellement de glucose et de xylose. Ces trois substrats sont donc utilisés, dans ce mémoire, comme source de carbone pour le bioprocédé de production d'acide lactique grâce à une bactérie lactique polyvalente, Lactobacillus rhamnosus. L'acide lactique est utilisé dans plusieurs industries, mais, présentement, une importante augmentation de la demande de ce produit est causée par l'industrie du bioplastique. En effet, l'acide lactique est un précurseur important pour la production d'acide polylactique, un plastique biodégradable. L'hydrolysat Kraft n'a pas permis la production d'acide lactique, car les composés toxiques présents dans le substrat, combiné à la nature moins fermentescible des sucres disponibles (xylose) ont inhibé la fermentation lactique avec Lactobacillus rhamnosus et ce, même avec des ajouts d'azote et de minéraux. Par contre, l'hydrolysat de pâte thermomécanique a permis la production de 66,9 g/L d'acide lactique et démontre une productivité de 1,9 g d'acide lactique/g de sucre consommé, avec des ajouts d'azote et de minéraux. Les résidus agroalimentaires ont permis de produire 62,5 g /L d'acide lactique et ont démontré une productivité de 1,5 g d'acide lactique/g de sucre consommé, avec des ajouts d'azote et de minéraux, bien qu'une concentration de 42,8 g/L ait été atteinte sans l'ajout de minéraux.

Abstract

Lactic acid is used in several industries, such as the food and the cosmetic industries. Currently, a significant increase in the demand for this product occurs due to the bioplastic industry. Indeed, lactic acid is an important precursor to produce polylactic acid, a biodegradable plastic. On the other hand, the pulp and paper industry, which is important in Quebec, faces new competition, the rise of new digital media. The paper industry needs therefore to find solutions to maintain its profitability. A co-current of the dissolving Kraft pulp and paper process, composed mainly of hemicelluloses, is unused and could have good potential in a bioprocess, once hydrolyzed to release the sugars, mainly xylose. It contains a potentially problematic amount of inhibitors which is a challenge to produce any bioproduct. The thermomechanical pulping process, allowing to separate the sugars from the lignin in the biomass, thus making possible to create a stream, the thermomechanical pulp hydrolysate, essentially composed of glucose and xylose. That stream does not have many inhibitors like the Kraft hydrolysate and could be a part of the development of biorefineries and opens several research avenues. However, in Quebec, a new organic waste management standard will take effect in 2020. The landfill of organic waste such as food waste, will be banned and new ways to waste recycling must be found. The food industry must find solutions to valorize the waste. The food residues are rich in fermentable sugars, such as fructose, glucose and galactose, and are possible substrates in biotechnological processes. These three substrates are therefore used in this work as a carbon source for lactic acid production by a polyvalent lactic acid bacterium Lactobacillus rhamnosus. The Kraft hydrolyzate did not allow the production of lactic acid, as the toxic compounds present in the substrate, combined with the less fermentable nature of available sugars (xylose), inhibited lactic fermentation with Lactobacillus rhamnosus even with nitrogen and minerals additions. On the other hand, the thermomechanical pulp hydrolysate allowed the production of 66.9 g/L lactic acid and with a productivity of 1.9 g lactic acid/g sugar consumed, with nitrogen and minerals additions. The food residues allow the production of 62.5 g/L lactic acid and demonstrated a productivity of 1.5 g lactic acid/g sugar consumed, with nitrogen and minerals additions, a concentration of 42.8 g/L was achieved without the addition of minerals.