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Valorisation de déchets agro-industriels par bioproduction fongique d'un important produit de plate forme (l'acide citrique) avec extraction simultanée de chitosane.

Dhillon, Gurpreet Singh (2012). Valorisation de déchets agro-industriels par bioproduction fongique d'un important produit de plate forme (l'acide citrique) avec extraction simultanée de chitosane. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 480 p.

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Résumé

Au regard de la demande toujours croissante en acide citrique (AC), due à l'émergence de nombreuses applications avancées, il existe un besoin urgent de chercher des substrats peu coûteux et novateurs pour la production faisable d'AC. Dans ce contexte, divers déchets agroindustriels, comme les déchets solides de jus de pomme (en anglais: AP), les déchets solides de micro-brasseries, les déchets d'agrumes (CW), la tourbe de sphaigne (SPM), les boues d'ultrafiltration de jus de pomme (APS), les eaux usées des industries d'amidon (SIW), les boues municipales secondaires (MSS) et le lactosérum (LS) ont été utilisés pour leur potentiel de production d'AC par fermentation à l'état solide (SSF) et par fermentation à l'état liquide (SmF), par Aspergillus niger NRRL 567 et A. niger NRRL 2001, respectivement. Pendant la sélection des déchets agro-industriels, l'utilisation des AP a abouti à la production de 66.0 ± 2.0 g/kg de substrat sec (ds) d'AC et pour les APS, de 9.0 ± 0.3 g/l et se sont avérés être des substrats solides et liquides potentiels par la croissance de A. niger NRRL 567. Les substrats sélectionnés, AP et APS ont été utilisés pour de nouvelles études portant sur l'optimisation des paramètres tels que: le niveau d'humidité initial (IML), les inducteurs par SSF, les matières solides en suspension (SS) et la concentration d'inducteurs par SmF. Pour se faire, la méthodologie de surface de réponse (RSM) a été utilisée. L'application de la MRS a mené à une bio-production plus élevée de l'état solide d'AC de 342 g/kg de substrat sec dans des conditions optimales de 75% (v/p) de IML accompagnée de 3% (v/p) de MeOH après une période de fermentation de 144 h et une taille de particule allant de 1.7 à 2.0 mm, respectivement. De même, par SmF, les AP ont donné une bio-production plus élevée d'AC de 44.9 g/kg ds, avec des paramètres optimaux de 25 g/l de SS accompagnées de 3% (v/v) de MeOH après une période de fermentation de 144 h. Les travaux d'optimisation par RSM ont révélé le potentiel des AP et APS comme substrats novateurs pour la bio-production économique d'AC. La production d'AC a été augmentée dans le laboratoire à l'échelle des fermenteurs. La SSF dans le fermenteur conduit à la production plus élevée d'AC de 294 ± 14 g/kg ds avec 3% (v/p) de MeOH, avec une agitation intermittente de 1 h toutes les 12 h à 2 trs/min, 1 vvm de taux d'aération, 120 h de temps d'incubation dans des conditions d'extraction optimales: temps d'extraction de 20 min, taux d'agitation de 200 trslmin et volume d'extraction de 15 ml. De même, la production à l'état liquide d'AC dans le laboratoire à l'échelle des fermenteurs a mené à une bio-production d'AC de 40.3 ± 2.0 g/l de APS avec 3% (v/p) de MeOH, respectivement, après 132 h de fermentation par A. niger NRRL 567. Les études des profils rhéologiques pour les APS des bouillons contenant le champignon filamenteux A. niger NRRL 567, pendant la fermentation d'AC, ont été menées à l'échelle du fermenteur de 7.5 L. Le contrôle sans inducteurs a démontré un comportement pseudo-plastique non-newtonien en raison d'une plus grande croissance filamenteuse. Cependant, dans le traitement complété avec le méthanol, la forme de boulette a été observée pendant la fermentation des bouillons non-newtoniens et moins visqueux. Le modèle de loi de puissance a été reproduit avec une grande précision (77.8-88.9%) tout au long de la fermentation sans inducteurs. Cependant, la loi de puissance a été observée de manière modérée (65.3-75.9%) au début de fermentation jusqu'à 48 h, puis suivi plus tard d'un bon indice de confiance (75.9-88.2%) jusqu'à 144 h de fermentation contrôlée. Des études rhéologiques devront être menées afin d'accroître la bio-production d'AC. Les déchets du mycélium fongique résultant de la fermentation par SSF et SmF ont été simultanément utilisés pour l'extraction d'un important coproduit, le chitosane (CTS). L'extrait de CTS était plus élevé dans le contrôle sans inducteurs de, respectivement, 6.40% et 5.13% de biomasse séchée, avec le mycélium fongique résultant de la fermentation par SSF et SmF. Le degré de dé-acétylation du CTS variait entre 78% et 86% pour la biomasse fongique obtenue par SSF et SmF avec des inducteurs différents. La viscosité de CTS fongique s'est trouvée être augmentée de 1.02 Pa.s⁻¹ à 1.18 Pa.s⁻¹, ce qui est considérablement plus bas que celle du coproduit commercial CTS se trouvant dans la carapace du crabe. Ces résultats indiquaient la possibilité d'une co-extraction de CTS de qualité supérieure de la biomasse des déchets fongiques résultant de diverses industries biotechnologiques fongiques incluant l'AC. La production combinée d'AC et de CTS accompagnée de déchets différents (déchets de mycélium fongique résultant de la fermentation, la biomasse fermentée accompagnée d'AC et la biomasse fongique, la biomasse activée après l'extraction de CTS a été utilisé pour la biosorption de métaux toxiques (As, Cr et Cu) provenant de solutions aqueuses issues de la décontamination de déchets de bois traité au CCA (arséniate de cuivre chromaté). L'effet des différents paramètres, tels que la concentration de biosorbant, la concentration métallique et le temps de contact, a été examiné. Parmi les isothermes d'adsorption testés, l'isotherme de Langmuir a donné la meilleure estimation de la valeur des coefficients de détermination (R²) de trois métaux différents (la biomasse par SSF) s'étendant de 0.89 à 0.97; de 0.96 à 0.99 et de 0.76 à 0.95 pour As, Cr et Cu, respectivement. De même, l'adsorption significative de métaux (>60% dans le lixiviat 2) provenant des lixiviats de déchets de bois traité au CCA, a été réalisé avec des biomatériels (BMs) différents. Ainsi, cette étude démontre que ces déchets de BMs produits pendant la production d'AC et l'extraction de CTS, pourrait être utilisés pour adsorber les métaux lourds présents dans les effluents contaminés et purifier ainsi ce type de rejet liquide. Un autre aspect étudié est la synthèse de ZnO-CTS basé sur des nanoparticules (NPs). Différents stabilisateurs ont été utilisés pour la synthèse de NPs par séchage de nano- Vaporisation et par méthode de précipitation. Le ZnO-CTS basé sur NPs a montré une activité significative antimicrobienne et inhibitrice de biofilm contre des souches bactériennes pathogènes opportunistes, Micrococcus luteus et Staphylococcus aureus. L'utilisation des déchets agro-industriels avec une production minimale de déchets et l'application de déchets de biomatériaux à des fins sanitaires constituent les objectifs essentiels de ce projet de recherche. Les études ont montré que des milieux coûteux ne sont pas nécessaires lors de l'ajout de déchets agro-industriels de faible coût pour la production d'AC. Ainsi, les conditions optimales pourraient être appliquées pour accroître la production d'AC afin de satisfaire la demande toujours croissante en raison des applications variées. De plus, l'extraction simultanée du coproduit CTS se consolidera davantage et rendra la biosynthèse d'AC plus économique. Le projet a également plusieurs buts : (1) l'utilisation économique de déchets agro-industriels de faible coût; (2) la séquestration environnementale des déchets de carbone menant à la réduction du changement climatique; (3) la production minimale de déchets et leur utilisation durable dans des applications de biotraitement environnemental; (4) la synthèse de NPs de ZnO-CTS possédant des propriétés antimicrobiennes et inhibitrices de biofilm contre des souches bactériennes pathogènes leur donnant un rôle prometteur en biomédecine.

Abstract

In view of the ever increasing demand of citric acid (CA) due to many advanced applications coming to light, there is an urgent need to look for inexpensive and novel substrates for feasible production of CA. In this context, various agro-industrial wastes, such as apple pomace (AP), brewery spent grain (BSG) CW (citrus waste), sphagnum peat moss (SPM) and apple pomace ultrafiltration sludge (APS), starch industry water (SIW), municipal secondary sludge (MSS) and lactoserum (LS) were utilized for their potential for CA production through solid-state fermentation (SSF) and submerged fermentation (SmF), respectively, by Aspergillus niger NRRL 567 and A. niger NRRL 2001. During the screening of agro-industrial wastes, AP resulted in CA production of 66.0±1.9 g/kg of dry substrate (ds) and APS 9.0±0.3 g/I respectively and proved to be the potential solid and liquid substrate by A. niger NRRL 567. The screened substrates, AP and APS were used for further studies for optimization of parameters [initial moisture level (lML) and inducers in SSF and suspended solids (SS) and inducers concentration in SmF] through response surface methodology (RSM). The application of RSM leads to higher solid-state CA bioproduction of 342.4 g/kg ds with optimum conditions of 75% (v/w) IML and along with 3% (v/w) MeOH after fermentation period of 144 h and particle size of 1.7-2.0 mm, respectively. Similarly, in SmF, APS rendered higher CA bioproduction of 44.9 g/100g ds, respectively through optimum parameters of 25 g/I SS along with 3% (v/v) MeOH after 144 h fermentation period. RSM optimization results indicated the potential of AP and APS as novel substrate for economical CA bioproduction. CA production was scaled-up in the lab scale fermenters. SSF in fermenter resulted in the higher CA production of (294.19±13.9 g/kg ds with 3% (v/v) MeOH, intermittent agitation of 1 h after every 12 h at 2 rpm and 1 wm of aeration rate and 120 h incubation time and with optimum extraction conditions: extraction time of 20 min, agitation rate of 200 rpm and extractant volume of 15 ml by RSM. Similarly, submerged CA production in lab scale fermenter leads to CA bioproduction of 40.34±1.98 g/I APS with 3% (v/v) MeOH, respectively, after 132 h of fermentation by A. niger NRRL 567. Rheological profile studies for APS broth with filamentous fungus, Aspergillus niger NRRL-567 during CA fermentation are reported for the biomass developed in a 7.5 1 bench scale fermenter. The control demonstrated non-Newtonian pseudoplastic behavior due to more filamentous growth. However, in treatment supplemented with methanol, pellet form was observed during fermentation with less viscous non-Newtonian broths. The power law model was followed with good confidence of fit (77.8-88.9%) throughout the fermentation in treatment with MeOH as an inducer. However, power law was followed with moderate fit of confidence (65.3-75.9%) at the beginning of fermentation until 48 h and later followed a good confidence offit (75.9-88.2%) until 144 h of fermentation in control. Rheological studies will further aid in achieving higher CA bioproduction. The waste fungal mycelium resulting from SSF and SmF was concomitantly used for extraction of important co-product, chitosan (CTS). Extractable CTS was found to be higher in control with 6.40% and 5.13% of dried biomass, respectively with the fungal mycelium resulting from the SSF and SmF. Degree of deacetylation of the CTS was ranged from 78-86 % for fungal biomass obtained from SSF and SmF with different inducers. The viscosity of fungal CTS was found to be ranging from 1.02-1.18 Pa.s⁻¹ which is considerably lower than the commercial crab shell CTS. These results indicated the possibility of co-extraction of superior quality CTS from waste fungal biomass resulting from various fungal-based biotechnological industries including CA. In-house produced CA and CTS along with different waste streams (waste fungal mycelium resulting from fermentation, the fermented biomass along with CA and fungal biomass, and activated biomass after CTS extraction) was used for the biosorption of toxic metals (As, Cr and Cu) from aqueous solutions and waste CCA (chromated copper arsenate) woods leachates. The effect of different parameters such as biosorbate concentration, metal concentration and contact time was investigated. The fitness of biosorption data for Freundlich and Langmuir adsorption models was investigated by employing batch adsorption technique. Among the adsorption isotherm tested, Langmuir isotherm gave the best fit with correlation coefficients (R²) value of three different metals (SSF biomass) ranging from 0.89-0.97; 0.96-0.99 and 0.76-0.95 for As, Cr and Cu, respectively. Similarly, the significant removal of metals (> 60% in leachate 2) from waste CCA wood leachate was achieved with the different BMs. Therefore, this study demonstrated that waste BMs resulting during CA production and CTS extraction which serves as an environmental pollutants could be used to adsorb heavy metals from contaminated waste waters and achieve cleanliness thereby abating environ mental nuisance caused by the these wastes. Another application aspect of this project is the facile synthesis of ZnO-CTS-based NPs. Different stabilizers were used for the synthesis of NPS through Nano-spray drying and precipitation methods. ZnO-CTS based NPS displayed significant antimicrobial and biofilm inhibiting activity against pathogenic bacterial strains, Micrococcus luteus and Staphylococcus aureus. The agro-industrial waste utilization with minimal waste production and the applications of the waste biomaterials for environmental cleanliness formulate the vital objectives of this research project. The studies showed that expensive media is not required for supplementation of negative cost agro-industrial wastes for CA production. Therefore, the optimized conditions could be applied for enhanced CA bioproduction to meet the ever increasing demand due to wide ranging applications. Moreover, the simultaneous extraction of co-product, CTS will further strengthen and makes the CA biosynthesis as more economical. The project serves multifold purpose of: (1) economical use of negative cost agro-industrial wastes and; (2) environmental sequestration of waste carbon leading to mitigation of climate change; (3) minimal waste production and their sustainable utilization for environmental clean-up applications and; (4) facile synthesis of ZnO-CTS-based NPs which possesses antimicrobial and biofilm inhibiting properties against pathogenic bacterial strains implicating their promising role in biomedicine.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Brar, Satinder Kaur
Mots-clés libres: déchet; agro-industrie; bioproduction fongique; acide citrique; chitosane; fermentation; Aspergillus niger; boue; jus de pomme
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 27 août 2013 14:35
Dernière modification: 17 nov. 2015 17:01
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1483

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