Fermentation du glycérol brut en co-culture pour la production d’hydrogène.

Pachapur, Vinayak Laxman (2017). Fermentation du glycérol brut en co-culture pour la production d’hydrogène. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 374 p.

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Résumé

L’hydrogène est un combustible à haute teneur en énergie et peut garantir un transport propre pour l'environnement dans les prochaines années. Compte tenu de ces perspectives, de nombreux groupes de recherche travaillent au développement de bioprocédes rentables de production d’hydrogène (H₂) comme source d'énergie. Les substrats, tels que le glucose pur et le saccharose, ne sont pas économiquement viables pour la fermentation. Les déchets riches en carbone ont donc été explorés en tant que substrats d’intérêts. Le marché mondial du biodiesel, une énergie renouvelable, durable et plus respectueuse de l’environnement connaît une croissance annuelle à la hausse. La production atteindrait 30,28 milliards de litres en 2020. Avec chaque tonne de biodiesel produit, 100 kg de glycérol brut (GB) est généré en tant que sous-produit (déchets). Ce GB est une bonne source de carbone. La valorisation de ce sous-produit dans la production de bio H₂ est donc une stratégie très prometteuse. Pour commencer, le calcul du bilan énergétique a été réalisé en comparant l'utilisation du GB dans le procéde de fermentation sombre et la purification industrielle du GB en glycérol pur. L'apport total d'énergie pour la purification du glycérol (872,4 MJ) était de 2,5 fois plus élevée par rapport à l'énergie totale maximale nécessaire pour un procédé de production de H₂ à partir de GB (344,3 MJ). La purification industrielle du glycérol à partir du GB coûtera quelque part autour de 0,66 $/L avec la diminution de la valeur du marché. Alternativement, la fermentation sombre du glycérol brut avec une production de 1 kg de H₂ peut remplacer 2,47 L de diesel conventionnel, ce qui représente une valeur de 3,40 $ sur le marché. Pour une utilisation efficace du GB, la bioconversion et la production H₂ par fermentation peuvent être considérées comme une option de génération de carburant durable complémentaire pour l’industrie du biodiesel. De nombreuses espèces de microorganismes coexistent dans la nature en interaction les uns avec les autres et sont plus efficaces lorsqu'ils sont associés entre eux. En utilisant des microorganismes en culture pure, le procéde de fermentation fournit un faible rendement en H₂. En comparaison avec les mono-cultures, les co-cultures offrent des effets synergiques avec un rendement de production de H₂ supérieur. Cette approche génère également de meilleures performances que l’utilisation des cultures mixtes et permet de surmonter les limitations et les contraintes de l’utilisation des cultures pures, nécessitant moins de temps de fermentation et de meilleurs rendements de production de H₂. La production d'hydrogène par fermentation sombre (non-photonique) du GB se révèle être plus appropriée que les autres produits à valeur ajoutée, tels que le 1,3- propanediol (1,3-PD) et l'éthanol entre autres. L’objectif principal est d’augmenter la production d’hydrogène lors de la fermentation du glycérol brut en utilisant différentes stratégies de co-culture. E. aerogenes et C. butyricum dans un système de co-culture sans pré-traitement du substrat et sans addition d'agent réducteur coûteux laissent entrevoir un procéde rentable pour la production de H₂. L’originalité de la thèse est la production améliorée d'hydrogène et de produits à valeur ajoutée à partir de glycérol brut en utilisant le système de co-culture. La fermentation du GB génère des rendements de 15,64 et 17,44 mmol-H₂/L de milieu pour un système en mono-culture en comparaison avec des rendements aussi élevés que 19,46 mmol-H₂/L de milieu avec le système proposé de co-culture. Le rendement de H₂ est d'environ 0,95 mol- H₂/mol de GB, ce qui est comparable à d'autres études de co-culture utilisant la même combinaison de cultures pures, mais avec des substrats différents, tels que l'amidon et l’hydrolysat de pulpe de manioc. L'utilisation de co-substrat de différents déchets avec des caractéristiques complémentaires peuvent aider à maintenir des niveaux de pH recommandés, et agit comme supplément pour éviter l’ajout de sources d'azote coûteuses. Également, en utilisant des co-substrats, une gestion efficace du procédé peut être réalisée pour améliorer le rendement de production de H₂. L'optimisation des concentrations des substrats et co-substrats, ainsi que de la taille de l'inoculum est de première importance pour l'industrie des bioprocédés. Le modèle a permis de déterminer une réponse de rendement supérieur avec 15 g/L de GB, 5 g/L d'APH (d’hydrolysat de marc de pomme) et 15% (v/v) d'inoculum. Les rendements ont été de 26,07 mmol de H₂/L avec une faible production de 1-3-propanediol. Le concept d'addition de co-substrat permet de limiter également l'inhibition du substrat, ce qui entraîne une augmentation de la production de H₂ à une concentration plus élevée de GB. Également, l’utilisation de la co-culture permet d’améliorer le procédé en éliminant l'étape de barbotage à l’azote pour la production de H₂. En utilisant 1% du glycérol brut sans barbotage à l’azote un rendement de production de H₂ de 1,5 mmol-H₂/mol de glycérol a été obtenu par rapport à 1,2 pour les systèmes utilisant le barbotage à l’azote. Le rendement de 1,3-PD au cours du barbottage au N₂ était d'environ 0,43 et un changement soudain vers les procédé aérobies a entraîné une diminution de rendement de 0,04. L’élimination de l’étape fastidieuse du barbotage à l’azote peut offrir une nouvelle stratégie améliorée pour la production de H₂ à moindre coût, de limiter les risques de contamination, de réduire la production de métabolites et de faire baisser le coût de récupération du produit pour simplifier le procédé de fermentation. La stratégie a démontré la capacité de changer de voie métabolique de la voie réductrice à la voie oxydative poussant le flux de carbone vers une augmentation de la production de H₂ ce qui rend la production de H₂ à partir du GB plus efficace et économiquement plus intéressante. L'étape initiale de pré-traitement a consisté à diminuer la viscosité du GB par mélange avec de l'eau distillée, suivi par l'ajustement du pH et l'étape de centrifugation pour éliminer les précipités de lipides ou de gras libres qui ont un effet néfaste sur la production de H₂. Dans cette étude, en même temps que le mélange de GB et de l'eau distillée pour diminuer la viscosité, l'addition d’un agent tensio-actif afin d'améliorer l'utilisation du glycérol a été étudiée. Une modélisation statistique a été réalisée afin de cibler les meilleures conditions optimales. Les conditions optimales sont: une concentration de GB de 17,5 g/L et de Tween 80 à 15 mg/L. Cette combinaison a entraîné une augmentation de la production de H₂ atteignant un maximum de 32,1 ± 0,03 mmol/L avec 87,7% de l'utilisation du glycérol. L'utilisation de Tween 80 à une concentration minimale et à faible coût offre une meilleure stratégie pour stimuler l'industrie du biodiesel grâce à une production accrue de H₂ à partir du GB. Il est bien connu que les procédés de fermentation sombre (non-photonique) génèrent des rendements de H₂ modérés, ce qui nécessite l’ajout de composantes supplémentaires, telles que les acides et les bases pour maintenir le pH, l'utilisation d’un co-substrat et les techniques d'immobilisation pour accroître la production de H₂. Le coût supplémentaire des composantes du milieu de culture, des agents tampons externes et le coût des matériaux pour l'immobilisation peuvent être éliminés en utilisant une approche rentable et environnementale en utilisant des résidus de coquilles d’oeufs. La production maximale de H₂ a été obtenue avec des coquilles de taille x₅ (33 μm <x₅< 75 μm) avec 36,53 ± 0,53 mmol de H₂/L pendant une première fermentation, suivie par 41,16 ± 0,95 mmol/L pendant une seconde fermentation discontinue répétée. Dans l'étude de mise à l'échelle en bioréacteur (7,5 L), des rendements de près de 1,5 fois plus élevés (en comparaison de mono-culture) ont été obtenus à savoir 312,12 mmol ou 7,69 L H₂/L de milieu avec 86,65% d’utilisation du glycérol. La valorisation des résidus de coquilles d’oeufs comme agent neutralisant et d’immobilisation permet de réduire de manière significative les coûts de production du H₂. Les médias usés post-fermentation contenant des composés organiques et des composantes inutilisées sont d'un grand intérêt comme additif ou supplément pour refaire une deuxième fermentation. Il s’agit d’une approche intéressante de réutilisation d’une partie des déchets de fermentation. Le système de culture mixte a été étudié pour la première fois pour la production de H₂ avec des boues de l’industrie du biodiesel. Un inoculum à partir de boues à une proportion de 20% v/v, du GB à 20 g/L, ainsi que les milieux usés ont permis d’obtenir une production accrue de H₂ d'environ 38,12 ± 0,84 mmol/L. Dans une autre approche, le milieu usé de fermentation du GB a remplacé le milieu frais pour la croissance des algues. Cette approche a permis de faire croître des algues pour la production de lipides. Le volume du mélange de milieu usé (30 mL) et du milieu frais (20 mL) a donné lieu à un rendement de 0,098 ± 0,007 g/L de production de lipides. L'approche global d’un système efficace pour utiliser le GB et les milieux usés confirme la valorisation prometteuse du GB et élève également le potentiel l'industrie du biodiesel afin de la rendre plus compétitive sur le marché.

Hydrogen with high energy content can guarantee environmentally clean transport in coming years. Given these perspectives, scientists are developing cost-effective processes by pursuing biological hydrogen production to aid the ongoing research on H₂ as energy source. Pure glucose and sucrose as substrate of dark fermentation are not economically feasible and hence, currently carbon rich wastes have been explored as suitable substrates. Global biodiesel market is renewable, healthier, environment friendly and sustainable alternative for fossil fuels and with increasing annual growth, production would reach 30.28 billion liters by 2020. With each ton of biodiesel produced, 100 kg of crude glycerol (CG) is generated as a by-product. Alternatively, CG is a good source of carbon; therefore valorization of this by-product into fermentative H₂ production seems to be a very promising strategy. To begin with, energy balance calculation was carried out between CG utilization by dark fermentation process and industrial enrichment to pure glycerol. The total energy input for glycerol purification (872.39 MJ) was 2.5-fold higher in comparison to maximum total energy input of vegetable feedstock derived CG (344.25 MJ). Industrial enrichment with the purified glycerol will cost somewhere around $0.66/L with decreasing market value. Alternatively, the dark fermentation of crude glycerol with 1 Kg of H₂ production can replace 2.47 L of conventional diesel at $3.40/L market value. For efficient utilization of CG, bioconversion to H₂ production by dark fermentation can be considered as energy-efficient and sustainable fuel generation option for biodiesel industries. Many species of microorganisms coexist in nature by interacting with each other and are most effective when associated with other group of microorganisms. By using single microorganism, the fermentation process delivers low H₂ content and low yield resulting in limited efficiency for H₂ production. In comparison to mono-culture, co-culture offers synergistic effects with higher H₂ yield, better performance than mixed-cultures, overcomes the limitations of pure cultures, requiring less fermentation time and producing more H₂. Hydrogen production by dark fermentation using CG is found to be more suitable than any other valuable products, such as 1,3-propanediol (1,3-PD), ethanol, among others. Main objective of the thesis is increasing the hydrogen production during the fermentation of CG using different strategies of co-culture. The studies dealing with E. aerogenes and C. butyricum in a co-culture system without pre-treatment of substrate and no addition of expensive reducing agent represented a novel process using CG for H₂ production. Thesis originality is improved production of hydrogen and value-added products from crude glycerol using the co-culture system.With CG fermentation, compared to 15.64 and 17.44 mmol-H₂/L of medium for a mono-culture system; as high as 19.46 mmol-H₂/L of medium has been obtained by proposed co-culture system. The H₂ yield was around 0.95 mol-H₂/mol of crude glycerol, which was comparable to other co-culture studies using the same combination of pure cultures over starch and cassava pulp hydrolysate. Co-substrate utilization of different wastes with complementary characteristics can help in maintaining recommended pH levels, act as supplementary to avoid expensive nitrogen source and with co-substrate effective management of the process can be achieved to improve the H₂ yield. The optimization of substrate and co-substrate concentration along with inoculum size is of primary importance for bioprocess industry. The model helped in determining the higher response at 15 g/L CG, with 5 g/L of APH (apple pomace hydrolysate) and 15% (v/v) inoculum resulting in H₂ production around 26.07 mmol/L with trace amount of 1,3-PD production. The concept of co-substrate addition also deals with substrate inhibition, resulting in increased H₂ production at higher concentration of CG. Improvement in the process by eliminating nitrogen sparging step was investigated for H₂ production using the co-culture system. Using 1% of crude glycerol without nitrogen sparging resulted in H₂ yield of 1.5 mmol-H₂/mol of glycerol in comparison to 1.2 for nitrogen sparged media. The yield of 1,3-PD during N₂ sparging was around 0.43 and sudden shift towards aerobic process resulted in decreased yield of 0.04. Decision on tedious nitrogen sparging step can offer a new improved strategy for H₂ production at lower cost, avoid risk of contamination, reduce metabolite production and bring down the product recovery cost to streamline the fermentation process. The strategy demonstrated the ability to shift metabolic pathway from reductive to oxidative pushing the carbon flux towards increase in H₂ production and making H₂ production from CG more efficient and economical. Initial pretreatment step of decreasing viscosity of CG by mixing with distilled water, followed by pH adjustment and centrifugation step to remove precipitated free fatty resulted in decreased H₂ production. In this study, along with mixing of CG and distilled water to decrease the viscosity, addition of the surfactant to further improve the glycerol utilization was investigated along with H₂ production using statistical modeling. The optimized conditions of CG: 17.5 g/L and Tween 80: 15 mg/L resulted in increased H₂ production reaching a maximum of 32.1 ± 0.03 mmol/L with 87.7% of glycerol utilization. The utilization of Tween 80 at minimum concentration offered low-cost improved strategy to boost biodiesel industry through increased H₂ production from CG. Dark fermentation often end ups in moderate H₂ yield, requiring additional media components, addition of exogenous acids/bases to maintain pH, co-substrate utilization and immobilization techniques for increased H₂ production. The added cost of media components, external buffering agents and material cost for immobilization can be eliminated by using a cost-effective and environmental approach of recycling eggshell. The maximum H₂ production resulted with eggshell size of x₅ (33 μm <x₅< 75 μm) with 36.53 ±0.53 mmol/L during batch followed by 41.16 ± 0.95 mmol/L during repeatedbatch fermentation. In the scale-up study with bioreactor (7.5 L), almost 1.5-fold increase (in comparison to mono-culture) i.e. 312.12 mmol or 7.69 L H₂/ L of medium with 86.65% glycerol utilization was obtained. Valorization of eggshells biowaste as a neutralizing, and immobilizing agents can significantly reduce production cost of H₂ production. The spent media containing organic compounds and unutilized substrate with media components is of high interest as promising choice for waste utilization. The mixedculture system was studied for the first time during H₂ production with biodiesel sludge at 20% inoculum, CG at 20 g/L along with spent media resulted in increased H₂ production of around 38.12 ± 0.84 mmol/L. In another approach, the fresh media was replaced with spent media and used for algal growth for lipid production. The mixture volume of spent media (30 mL) and fresh media (20 mL) resulted in 0.098 ± 0.007 g/L of lipid production. The efficient closed system approach of utilizing CG and spent media confirms valorization of CG and also uplifts the biodiesel industry to be competitive in the market.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Brar, Satinder Kaur
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Le Bihan, Yann
Mots-clés libres:	glycérol brut; production d'hydrogène; énergie; biotechnologies
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	03 juill. 2018 13:24
Dernière modification:	09 nov. 2021 20:50
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/6953

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