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Production accrue d'acide fumarique par fermentation de déchets agro-industriels.

Das, Ratul Kumar (2016). Production accrue d'acide fumarique par fermentation de déchets agro-industriels. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 316 p.

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Résumé

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L'acide fumarique (AF) a été identifié comme étant l'un des dix meilleurs produits chimiques de construction modulaire qui peut être produit par fermentation submergée et par fermentation à l'état solide à partir de différents déchets de organiques (la plupart d'origine agro-industrielle). Il a été établi que le coût du substrat (presque 40-60% du coût total) est la principale contribution économique au coût total de production dans la fermentation du AF. Normalement, l’AF est produit commercialement à partir de l'anhydride maléique. Toutefois, en raison de la hausse du prix de l'anhydride maléique (60-70% du coût total de production), les chercheurs ont semblé être plutôt en AFveur d'une production biologique (fermentation) du AF. Comparée à celle des autres champignons filamenteux, la souche Rhizopus oryzae 1526 (famille: Mucoraceae) est utilisée comme principal producteur de AF en raison de ses faibles besoins nutritionnels. Dans l'étude de la production d’AF par la technique d'immobilisation, les coûts des matériaux de support d'immobilisation peuvent représenter de 60 à 70% du coût total du processus et donc l'utilisation de matériaux compatibles de faible coût pour des applications peut être une très bonne option à envisager. Dans les études portant sur la production d’AF par fermentation, le CaCO3 est utilisé pour maintenir un pH proche de la neutralité (6.0) pour favoriser une production maximale d’AF. Une source rentable et durable de CaCO3 peut être une option efficace. De plus, l'utilisation de nanoparticules de CaCO3 et d'irradiation par micro-ondes (en anglais: MWI) permet de réduire la viscosité du milieu de culture et le temps de récupération du AF. La détermination spectrophotométrique du AF dans un échantillon de bouillon fermenté n'est pas une approche méthodologique courante. Ainsi, le développement d'une méthode spectrophotométrique simple et rapide pour l'estimation de la production d’AF dans des échantillons de bouillons fermentés peut être une option intéressante à envisager. Dans cette étude, une procédure colorimétrique rapide et efficace a été développée pour la quantification du AF présent dans les échantillons de bouillon fermenté. Différents déchets agro-industriels, à savoir les eaux usées de brasserie (en anglais: BW) et les boues d'ultrafiltration de jus de pomme (en anglais: APS), les déchets solides de jus de pomme mélangés aux pelures de riz (en anglais: AP) et des déchets solides de pâtes et papiers (en anglais: PPSW), ont été testés et optimisés pour améliorer la production de AF par fermentation en utilisant le R. oryzae 1526 (R. oryzae). Une stratégie d'immobilisation rentable a été adoptée pour une production accrue d’AF. L'impact des différentes concentrations de micro et de nanoparticules de ZnO, Fe3O4 et MnO2 sur la production d’AF a également été étudié. Enfin, l'application des nanoparticules de carbonate de calcium (en anglais: CCNPs) et l'irradiation par micro-ondes (en anglais: MWI) ont été étudiées dans la production et la récupération du AF, respectivement. Pour les BW, en utlisant les les conditions optimales de croissance (pH 6, 25 °C, agitation à 200 rpm, 5% (v/v) d'inoculum, 25 g/L concentration en matières solides totales de 25 g/L, et un diamètre de granule de 0,47 ± 0,04 mm), la concentration la plus élevée de AF atteinte a été de 31,3 ± 2,8 g/L. Dans l'étude de l'immobilisation sur un chiffon de mousseline (en anglais: MC), les niveaux de production et la productivité volumétrique de AF ont été nettement augmentés, passant de 30,56 ± 1,40 g/L à 43,67 ± 0,32 g/L et 0.424 g/(L h) à 1.21 g/(L,h), comparativement à la fermentation acellulaire. Dans une autre étude comprenant les déchets de coquilles d'oeufs de poule (en anglais: EGS), les biofilms (formés sur les EGS) obtenus par fermentation submergée ont nettement amélioré la production et la productivité volumétrique de l'acide fumarique de 30,23 ± 1,23 g/L à 47,22 ± 0,77 g/L et de 0.419/(L,h) à 1.657 g/(L,h), respectivement par rapport aux cellules libres. Les EGS servent également de source de CaCO3. L'étude comprenant les PPSW a entraîné de bons taux de production de AF par fermentation submergée et par fermentation à l'état solide avec différentes gammes de taille de particules (1,7 mm < x ≤ 3,35 mm, 850 μm < x ≤ 1,7 mm, 300 μm < x ≤ 850 μm, 75 μm < x ≤ 300 μm et 33 μm < x ≤ 75 μm). Dans la fermentation submergée, un maximum de 23,47 ± 0,70 g/L de AF a été obtenu avec une taille de particules de 33 μm < x ≤ 75 μm. La fermentation à l'état solide avec une taille de particules de 75 μm < x ≤ 300 μm a abouti à une plus forte production de AF (41.45 g/kg de poids sec de PPSW) après 21 jours. Pour l'étude de la fermentation submergée avec les APSU, les paramètres optimaux pour la production de AF (25,2 ± 1,0 g/L, 0,350 g/(L,h)) soit une concentration de 40 g/L en solides totaux de APSU, un pH de 6,0, une température de 30 °C, agitation à 200 rpm et un temps d'incubation de 72h. La fermentation à l'état solide a permis une production de 52 ± 3 g d’AF par kg en poids sec d’AP avec les conditions optimisées. Les expériences réalisées avec les AP dans le fermenteur à tambour rotatif à l'état solide à l'échelle laboratoire ont abouti à une concentration d’AF de 138 ± 9 g par kg de poids sec d’AP selon les conditions optimisées. La teneur totale en phénol des AP a considérablement augmenté, passant de 185 ± 10.5 à 345 ± 8.5 mg/g de lyophilisat. L'étude de l'impact des différentes concentrations (200-1000 μg/ml) de micro- et de nanoparticules de ZnO, Fe3O4 et MnO2 sur la production d’AF a montré que les micro et les nanoparticules de Fe3O4 sont les particules les plus biocompatibles avec le champignon R.oryzae. L’application de CCNPs a permis a réduit le temps de neutralisation du AF d'environ 160 secondes. De plus, les CCNPs ont amélioré la productivité volumétrique de AF, qui est passée de 0,47 g/(L,h) à 0,74 g/(L,h). Les viscosités des CCNPs se sont avérées être inférieures à celles des microparticules de carbonate de calcium (en anglais: CCMPs). Une période de chauffage de 10 ± 1 min par MWI a été jugée suffisant pour la récupération d’AF et ce temps est beaucoup plus faible que le temps de chauffage classique de 28 ± 1 min.

Abstract

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Fumaric acid (FA) has been identified as one of the top ten building block chemicals that can be produced by submerged and solid state fermentation from different waste materials (mostly of agro-industrial origin). It has been established that substrate cost (almost 40-60% of the total cost) is the major economic input to the total production cost in FA fermentation. Normally, FA is solely being produced commercially from maleic anhydride. However, due to the rising price of maleic anhydride (60-70% of the total production cost), fermentation route is being preferred. Owing to its low nutritional requirements, Rhizopus oryzae 1526 (family: Mucoraceae) strain is used as the main producer of FA. In the immobilization based FA production study, the immobilization support material costs can range from 60-70% of the total process cost and thus exploration of low cost and compatible materials can be a very good option. In the fermentation based FA production studies, CaCO3 is used to maintain a pH around neutral (6.0) for maximum FA production. A cheap and sustainable source of CaCO3 can be an effective option. Moreover, applications of CaCO3 nanoparticles and microwave irradiation (MWI) can reduce the broth viscosity and recovery time of FA, respectively. Spectrophotometric determination of FA in fermented broth sample is not a common methodological approach. Thus, development of a simple and rapid spectrophotometric method for FA estimation in fermented broth samples can be an interesting option to investigate. In the present investigation, a time and cost effective colorimetric procedure was developed for the quantification of FA in the fermented broth samples. Different agro-industrial wastes viz. brewery wastewater (BW) and apple pomace ultrafiltration sludge (APS), apple pomace with rice husk (AP) and pulp and paper solid waste (PPSW) were screened and optimized for the enhanced production of FA through fermentation employing R. oryzae 1526 (R. oryzae). Cost-effective immobilization technique was used for enhanced FA production. Impact of different concentrations of micro- and nanoparticles of ZnO, Fe3O4 and MnO2 on FA production was also investigated. Finally, application of calcium carbonate nanoparticles (CCNPs) and microwave irradiation (MWI) in FA production and recovery, respectively, were investigated. For BW, with all the optimized growth conditions (pH 6, 25 °C, 200 rpm, 5% (v/v) inoculum size, 25 g/L total solids concentration, and pellet diameter of 0.465 ± 0.04 mm), the highest concentration of FA achieved was 31.3 ± 2.77 g/L. In the immobilization study with muslin cloth (MC), production level and volumetric productivity of FA were markedly increased from 30.56 ± 1.40 g/L to 43.67 ± 0.32 g/L and 0.424 g/(L h) to 1.21 g/(L h) as compared to free-cell fermentation. In another study with hen’s egg shells (EGS), as compared to free-cell, biofilms (formed on EGS) mediated submerged fermentation markedly enhanced the production and volumetric productivity of fumaric acid from 30.23 ± 1.23 g/L to 47.22 ± 0.77 g/L and 0.419/(L h) to 1.657 g/(L h), respectively. EGS also served the purpose of source of CaCO3. The study with PPSW resulted in good productivities of FA for submerged and solid state fermentation with different particle ranges (1.7 mm < x ≤ 3.35 mm, 850 μm < x ≤ 1.7 mm, 300 μm < x ≤ 850 μm, 75 μm < x ≤ 300 μm and 33 μm < x ≤ 75 μm). In submerged fermentation with, a maximum of 23.47 ± 0.70 g/L of FA was obtained with 33 μm < x ≤ 75 μm. Solid state fermentation with 75 μm < x ≤ 300 μm particle size resulted in highest FA production (41.45 g/kg dry weight of PPSW) after 21 days. For submerged fermentation study with APSU, 40 g/L of total solids concentration of APUS, pH 6.0, 30 oC, 200 rpm flask shaking speed and 72 h of incubation were found to be optimum for FA production (25.2 ± 1.0 g/L, 0.350 g/(L h)). Solid state fermentation resulted in 52 ± 2.67 g FA per kg dry weight of AP under all optimized conditions. The experiments carried out with AP in rotating drum type solid-state bench scale fermenter resulted in FA concentration of 138 ± 9.11 g per kg dry weight of AP at all optimized conditions. Total phenolic content of AP was considerably increased from 185 ± 10.5 mg/g to 345 ± 8.5 mg/g of lyophilizate. The investigation on the impact of different concentrations (200-1000 μg/mL) of micro- and nanoparticles of ZnO, Fe3O4 and MnO2 on FA production showed Fe3O4 micro- and nanoparticles to be the most biocompatible to the fungus R.oryzae. The application of CCNPs reduced FA neutralization timing by around 160 seconds. Moreover, CCNPs enhanced the volumetric productivity of FA from 0.47 g/(L h) to 0.74 g/(L h). Viscosities of CCNPs were found to be lower than calcium carbonate microparticles (CCMPs). Under MWI heating, 10 ± 1 min was found to be sufficient for recovery of FA and this was much lower than conventional heating timing of 28 ± 1min.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Brar, Satinder Kaur
Co-directeurs de mémoire/thèse: Verma, Mausam
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: acide fumarique; fermentation; déchets agro-industriels; R. oryzae; SmF
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 20 oct. 2016 19:59
Dernière modification: 20 oct. 2016 19:59
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/4783

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