Développement de stratégies de bio-détoxification de pré-hydrolysats lignocellulosiques pour fermentation ABE en butanol

L'industrie des pâtes et papiers au Canada connait une grave crise économique depuis dix ans pour plusieurs raisons, dont entres autres une baisse de la demande en produits papetiers, une compétition internationale aigüe et une hausse des coûts de l'énergie [1, 2]. Une solution d'avenir prometteuse pour redynamiser l'industrie consiste à intégrer une bioraffinerie au sein d'usines existantes. Une bioraffinerie intégrée permet de co-produire, en plus des produits de base de l'industrie papetière, des produits à haute valeur ajoutée par valorisation des déchets et sous-produits sans grande valeur commerciale. Priorisant une conversion efficace des hémicelluloses composant la biomasse lignocellulosique avec la lignine et la cellulose, son extraction en amont du procédé de cuisson par une étape de préhydrolyse représente une avenue prometteuse pour la génération de produits à haute valeur ajoutée dont le butanol et l'éthanol, par fermentation, ainsi que le furfural et diverses autres molécules carbonées d'intérêt pour l'industrie chimique. Cependant, une conversion efficace du préhydrolysat en biocarburants, par fermentation, exige la disponibilité des monomères des glucides à hautes poids moléculaires présents sous formes de polymères de ces monomères. L'intégration d'une étape d'hydrolyse est ainsi indispensable pour obtenir des glucides fermentescibles (i.e. monomères ou oligomères solubles ou transportables). Les technologies courantes de préhydrolyse et d'hydrolyse des hémicelluloses sont à base de réactifs chimiques qui permettent des rendements élevés de dégradation et de mise en solution des glucides simples. L'utilisation de ces réactifs est également responsable de la génération de divers inhibiteurs de procédés de fermentation. Pour assurer une conversion efficace, l'enlèvement des produits toxiques est donc requis. Ce problème appelle à l'intégration d'un procédé de détoxification pour amoindrir les effets secondaires néfastes du procédé d'hydrolyse. Incidemment, la combinaison des processus d'hydrolyse et de détoxification des hémicelluloses, via l'application d'un consortium de microorganismes, représente une option prometteuse qui pourrait contribuer à la production de biocarburants économiquement et environnementalement acceptables. En effet, les procédés impliquant des microorganismes sont généralement respectueux de l'environnement et sont caractérisés par une faible utilisation de produits chimiques et une plus faible génération de produits toxiques, par une sélection adéquate du consortium microbien. Le but de cette thèse consiste ainsi à développer des technologies novatrices de détoxification à base de microorganismes pour une hydrolyse bactérienne performante de préhydrolysat hémicellulosique et pour une conversion subséquente efficace en butanol par la souche Clostridium acetobutylicum ATCC 824. La première partie de la thèse présente une étude proposant l'utilisation d'une culture mixte de bactéries, Ureibacillus thermosphaericus NCIMB 13819 et Cupriavidus taiwanensis DSM 17343, produisant et sécrétant les enzymes permettant la détoxification de préhydrolysat de bois. Tout d'abord, des expériences d'optimisation de la température réactionnelle de la co-culture ont été conduites sur un bouillon de soja trypsique (TSB) à titre de système modèle, et la température optimale commune permettant de favoriser les cinétiques réactionnelles spécifiques aux deux microorganismes préconisés, étudiée en mode mono- et co-cultures, a été déterminée à 41 °C. Par la suite, la performance des cultures pures et mixtes pour la détoxification de milieux synthétiques comprenant quatre classes de composés phénoliques (i.e. acide gallique, vanilline, catéchol et syringaldéhyde), le furfural, le 5-hydroxyméthyl furfural (5-HMF), l'acide acétique, les sels et la source des nutriments a été étudiée. En parallèle et dans un premier volet, une étude comparative sur l'effet d'une supplémentation de deux sources de nutriments sur la performance de dégradation de différents composés inhibiteurs par les cultures pures a été effectuée. Les cultures enrichies avec des ions métalliques comme ajout nutritionnel ont montré une performance supérieure de dégradation. Dans un deuxième volet, une étude a cherché à comparer la performance de co-cultures simultanées et séquentielles (i.e. inoculations décalées) sur la dégradation des composés phénoliques présents dans un mélange d'inhibiteurs. Des pourcentages de dégradation élevés, de l'ordre de 90% avec les co-cultures simultanées, ont été obtenus avec les différents types de co-cultures en présence de 2.8 g/L de composés phénoliques totaux. En augmentant la concentration initiale de ces composés à 8 g/L, la meilleure performance de détoxification observée a été similaire avec 87% pour une inoculation en séquence de U. thermosphaericus suivie de C. taiwanensis après 12 h d'incubation. Le suivi de détoxification en composés inhibiteurs dans les différentes cultures a permis d'identifier la séquence d'inoculation des bactéries maximisant la dégradation spécifique de chaque type de composés phénoliques à différentes concentrations initiales. On a par la suite précisé dans un troisième volet l'efficacité de détoxification par les différentes cultures microbiennes des composés phénoliques individuels. Étonnamment les performances de dégradation observées en seule présence des composés phénoliques ont été inférieures en comparaison avec les résultats obtenus en coprésence des autres inhibiteurs et des composés phénoliques. Finalement, on a évalué la performance de détoxification d'un préhydrolysat réel par les mono- et co-cultures et les pourcentages de dégradation des composés phénoliques n'ont pas dépassé 14% avec les cultures séquentielles de U. thermosphaericus suivie de C. taiwanensis. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons poursuivi le développement d'une technologie de détoxification efficace et performante en intégrant une méthode chimique de floculation à l'étape biologique (i.e. coculture de U. thermosphaercius avec C. taiwanensis) afin d'augmenter l'efficacité de détoxification. Tout d'abord, différentes combinaisons de méthodes de détoxification ont été évaluées dans le but de déterminer la stratégie favorisant une dégradation maximale des inhibiteurs. La stratégie la plus performante a consisté en la floculation de l'hydrolysat de bois avec Fe2(SO4)3 suivie de la biodétoxification avec la co-culture (U. thermosphaericus suivie de C. taiwanensis après un délai d'inoculation de 24 h, déterminé optimal dans le préhydrolysat). Des taux d'enlèvement de 63%, 73% et 28% des composés phénoliques, de furfural et de 5-HMF ont été respectivement obtenus. Finalement, on a validé la stratégie sélectionnée par la production de butanol via fermentation de type acétone-butanol-éthanol (ABE) par Clostridium acetobutylicum ATCC 824. Une concentration en butanol de 8 g/L a alors été atteinte après 120 h de culture, avec un milieu de culture composé d'un hydrolysat d'hémicelluloses détoxifié, en jumelant une étape de floculation à une étape biologique puis dilué pour une concentration initiale en composés phénoliques de 0.3 g/L soit le seuil acceptable pour ces inhibiteurs, de même que l'ajout des nutriments nécessaires pour la croissance et le métabolisme de la souche solvantogénique. La troisième et dernière partie expérimentale de cette thèse a cherché à compléter le procédé développé en intégrant une hydrolyse biologique aux étapes de floculation chimique et de détoxification biologique, par la bactérie Paenibacillus campinasensis DSM 21989. Une efficacité similaire de dégradation des composés phénoliques inhibiteurs (56%) a été obtenue avec les approches d'hydrolyse et de détoxification séparées ou simultanées, en co-culture des trois souches bactériennes. L'hydrolyse microbiologique comme traitement unique de préhydrolysat a également montré contribuer pour 36% de la détoxification en phénoliques. Cette approche d'hydrolyse biologique n'a pas contribué à l'hydrolyse des xylooligosaccharides en xylose, un glucide fermentescible en butanol. Il a également été intéressant qu'aucune des populations microbiennes présentes ne semblent utiliser de façon préférentielle le xylose, et ce glucide est ainsi demeuré majoritairement disponible pour la fermentation ABE et la production de butanol. Une validation finale par fermentation ABE avec Clostridium acetobutylicum ATCC 824 des hydrolysats détoxifiés générés par hydrolyse et détoxification simultanées puis dilués jusqu'à 0.3 g/L en composés phénoliques, a mené à 7 g/L de butanol après 116 h de culture. Cette concentration est la plus élevée obtenue en comparaison avec les résultats de fermentation d'hydrolysats biologiques non détoxifiés et d'hydrolysats obtenus par hydrolyse et détoxification séparées, travaux réalisés dans le cadre de cette thèse. De plus, il est d'intérêt de noter que la production de butanol dans les hémicelluloses hydrolysées microbiologiquement comme traitement unique de préhydrolysat a été 6 g/L, soit la meilleure performance obtenue comparativement aux essais en milieu synthétique de xylose (5.27 g/L), avec un hydrolysat acide (2.3 g/L) ou avec un hydrolysat généré par hydrolyse biologique et détoxification séparées (1.05 g/L). Nos travaux ont donc résulté en une stratégie ayant le potentiel de minimiser l'incidence environnementale de même que les coûts de bioprocédé de bioraffinage forestier pour la production de butanol.

Abstract

The Canadian pulp and paper industry is facing a great economic crisis in the last decade for several reasons (e.g. decline in the demand for paper based products, acute international competition and high cost of energy) [1, 2]. The integration of a biorefinery into existing factories is a promising future solution for revitalizing the industry. An integrated biorefinery allows the coproduction of high-value added products alongside the industrial core products by up-grading low commercial valour wastes and co-products. Emphasizing an efficient conversion of hemicelluloses, contained in lignocellulosic biomass along with lignin and cellulose, their extraction with a prehydrolysis step prior to digestion is a promising avenue for high value-added products generation as butanol and ethanol, by fermentation, as well as furfural and various other carbon molecules of interest to the chemical industry. However, an efficient conversion of the prehydrolysate to biofuels by fermentation requires the availability of monomers from high molecular weights carbohydrates present as polymers of these monomers. Hence, the integration of an hydrolysis step is required to release fermentable sugars (i.e. Soluble or transportable monomers or oligomers). The conventional methods of prehydrolysis and hydrolysis of hemicelluloses are chemical-based techniques which favor high yields of degradation and solubilize the monomeric carbohydrates. These methods contribute equally to the formation of diverse fermentation inhibitors along with the carbohydrates. A compelling need to remove toxic compounds for an efficient conversion to bioproducts is inciting the integration of a detoxification process to impede side effects of the hydrolysis step. By the way, the development of a microbial consortium for combined hydrolysis and detoxification processes would be an economic as well as an environmental avenue for sustainable biofuels production. In fact, microorganisms-based processes are generally characterized by their environmental aspect, small use of chemicals and lower contribution to toxic compounds formation, which would be achieved by a good selection of the microbial consortium. The aim of this thesis is thus to develop novel technologies of detoxification with microorganisms for a performant biohydrolysis of hemicelluloses pre-hydrolysate and for an efficient subsequent conversion to butanol with Clostridium acetobutylicum ATCC 824. In the first part of this thesis, we proposed the application of a co-culture, composed of Ureibacillus thermosphaericus NCIMB 13819 and Cupriavidus taiwanensis DSM 17343, which produce and secrete enzymes responsible for the detoxification of hardwood pre-hydrolysate. First, we performed optimisation experiments of the reaction temperature in the co-culture using tryptic soy broth (TSB) as a model system, and the common optimal temperature favoring the specific reaction kinetics for both recommended bacteria studied in pure and mixed cultures, was determined to 41 °C. Secondly, the performance of mono- and co-cultures has been studied for the detoxification of synthetic media comprising four classes of phenolic compounds (i.e. gallic acid, vanillin, catechol and syringaldehyde), furfural, 5-hydroxymethyl furfural (5-HMF), acetic acid and nutrients source. In parallel and in a first section, a comparative study of two nutrients sources for their supplementation effects on the inhibitors' degradation performance with pure cultures has been developed. The cultures enriched with metal ions as a nutritional supplement showed superior degradation performance. In a second section of the study, the performances of sequential (i.e. offset inoculations) and simultaneous cultures for the removal of key phenolics present in a mixture of inhibitors were compared. At 2.8 g/L of total phenolic compounds, the different co-cultures exhibited high degradation percentages, up to 90% with an offset inoculation of Cupriavidus taiwanensis with respect to Ureibacillus thermosphaericus. By increasing the initial concentration of phenolic compounds to 8 g/L, similar performance of phenolic compounds removal up to 87% was observed with the sequential inoculation with a 12 h delay in the inoculation of C. taiwanensis. The optimal bacteria sequence maximising specific degradation of each type of phenolics present at different concentrations was determined from the detoxification monitoring of inhibitory compounds. Subsequently and in a third section, the degradation efficiency of individual phenolic compounds with the bacterial cultures was investigated. Surprisingly, the degradation performances observed in single presence of phenolic compounds were lower than those obtained in the co-presence of other inhibitors along with the phenolics. Finally, the detoxification performance of a real pre-hydrolysate was evaluated with mono- and co-cultures and the degradation values of phenolic compounds did not exceed 14% obtained with the sequential cultures of U. thermosphaercius followed by C. taiwanensis. In the second part of the thesis, we continued the development of a performant and efficient detoxification technology by coupling a chemical method of flocculation to the biological method (i.e. co-culture of U. thermosphaericus and C. taiwanensis) in order to increase the performance of detoxification. First, different combinations of detoxification methods were evaluated and the strategy yielding maximum inhibitors degradation was selected. The most performant strategy consisted in flocculation of the wood hydrolysate with Fe2(SO4)3 followed by biodetoxification with the co-culture (sequential cultures with U. thermosphaercius inoculated 24 h prior to C. taiwanensis, as optimised in the pre-hydrolysate). Removal rates of 63%, 73% and 28% of phenolic compounds, furfural and 5-HMF were respectively obtained with this strategy (co-culture followed by flocculation). Finally, the detoxification method was validated by the production of butanol with C. acetobutylicum ATCC 824 via acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentation. A butanol concentration of 8 g/L was produced after 120 h of culture in a medium consisting of the detoxified hemicelluloses hydrolysate, obtained by coupling a flocculation step with a biological one then dilution to 0.3 g/L of phenolic compounds for acceptable thresholds, and the nutrients source required to solventogenic bacteria for their growth and metabolism. The third and last experimental part of this thesis sought to complete the process developed by coupling biological hydrolysis with Paenibacillus campinasensis (P. campinasensis) DSM 21989 to flocculation and biodetoxification steps. Similar performances of phenolic compounds degradation were obtained (56%) with separate or simultaneous, with the co-culture of three bacteria, hydrolysis and detoxification steps. Microbial hydrolysis as the sole treatment method of hemicelluloses pre-hydrolysate has also been shown to contribute to 36% of phenolics removal, while it didn't result in the hydrolysis of xylooligosaccharides to xylose which is a fermentable carbohydrate to butanol. It has also been interesting that none of the existing microbial populations seem to preferentially consume xylose, and this carbohydrate remained mostly available for ABE fermentation and butanol production. A final step of validation by ABE fermentation with Clostridium acetobutylicum ATCC 824 of detoxified hydrolysates obtained by simultaneous detoxification and hydrolysis then diluted to 0.3 g/L of phenolic compounds, contributed to 7 g/L of butanol production after 116 h of culture. This concentration was the highest among values from non-detoxified biohydrolysates and hydrolysates from separate hydrolysis and detoxification, work carried out in the context of this thesis. Furthermore, it is worthy to note that a butanol concentration of 6 g/L was produced from hemicelluloses obtained by hydrolysis of the pre-hydrolysate as the sole treatment method. This performance was higher than those with synthetic xylose medium (5.27 g/L), acid hydrolysate (2.3 g/L) or with hydrolysate obtained by separate hydrolysis and detoxification (1.05 g/L). As a result, our work has led to a potential strategy which mitigates environmental impact as well as costs of forest bioprocessing biorefineries for butanol production.