Récupération et réutilisation des rejets issus de la production de bioplastique pour la croissance des microorganismes (C. nector) producteurs de PHA.

Siteli, Yazid (2020). Récupération et réutilisation des rejets issus de la production de bioplastique pour la croissance des microorganismes (C. nector) producteurs de PHA. Mémoire. Québec, Maîtrise en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 62 p.

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Résumé

L’utilisation des bioplastiques peut être entravée par des coûts de production relativement élevés par rapport aux coûts de production de plastiques conventionnels. Le coût des matières premières (carbone et nutriments) peut représenter jusqu’à 40% du coût total de production des bioplastiques (PHA : polyhydroxyalkanoate). Diverses recherches ont été effectuées en utilisant des sources de carbone résiduel pour réduire les coûts de production. C’est dans cette perspective que ces travaux de recherche ont été initiés en vue d’étudier la possibilité de réutiliser les nutriments et carbone issus du bouillon fermenté. La fermentation a été effectuée en utilisant un excès de source de carbone et en limitant les nutriments. Suite à la fermentation, le bouillon fermenté a été recueilli et centrifugé pour une séparation solide/liquide. La biomasse (fraction solide) a été par la suite séchée et le PHA a été extrait. Le surnageant (faction liquide) riche en nutriments et en carbone a été utilisé comme milieu de culture. Différentes stratégies de fermentation ont été effectuées en utilisant des nutriments résiduels présents dans le bouillon fermenté. Des tests ont été successivement effectués en fioles Erlenmeyer agités de 300 mL et dans des fermenteurs de 5L à 7L de capacité dans l’optique d’étudier l'impact de certains paramètres d’opération (ex. concentrations en carbone/nutriments et mode d’alimentation discontinue) sur la production de PHA en utilisant Curpriavidus necator. Le surnageant de bouillons fermentés issus de différentes sources de carbone (telles que les boues secondaires de pâte et papiers et d’huiles de cuisson usagées) a été utilisé comme milieu culture au cours de la fermentation afin de déterminer l'impact sur la biomasse et la teneur en PHA. Les tests en Erlenmeyer (flacons agités) ont permis d’identifier les meilleures conditions d’opération qui ont été par la suite appliquées en bioréacteur. Différentes analyses ont été réalisées tels que la détermination des matières en suspension (MES), le dénombrement bactérien, l’estimation des huiles et l’accumulation du PHA. Lors des tests en fioles Erlenmeyer, les teneurs maximales en PHA de 23,4 et 25% (p/p) ont été enregistrées dans une dilution à 50% du surnageant issu du bouillon fermenté sans ajout de minéraux et dans une dilution de 25% sans ajout de minéraux. Une dernière étape a consisté à tester simultanément trois bioréacteurs respectivement alimentés avec les milieux de cultures suivants : i) 50%(v/v) du surnageant issu du bouillon fermenté + huiles de cuisson usagées et ce, sans ajout des minéraux à 0h (Fermenteur-A) ; ii) 50%(v/v) du surnageant issu du bouillon fermenté + huiles de cuisson usagées et ce, avec ajout de minéraux à 0h (Fermenteur-B) ; iii) 25%(v/v) du surnageant issu du bouillon fermenté + huiles de cuisson usagées avec un ajout de minéraux à 0h (Fermenteur-C). Le pH (6.8) et la température (30°C) et la concentration en oxygène dissous (30 – 50 %(v/v)) ont été contrôlés et maintenus constants lors de cette série d’expériences. Un rendement maximal de PHA a été obtenu au sein du Fermenteur-B. Les rendements du PHA enregistrés dans les Fermenteurs-A (3 L de volume utile), Fermenteur-B (3 L de volume utile) et Fermenteur-C (4 L de volume utile) sont respectivement de 59%, 76% et 41%.

The widespread use of bioplastics can be affected by high production costs compared to conventional plastics. The cost of raw materials (carbon and nutrients) can account for up to 40% of the total production cost of bioplastics (PHA: Polyhydroxyalkanoate). Various studies have been carried out using residual carbon sources to reduce this production expense. In this perspective, this research was initiated to investigate the possibility of reusing nutrients and carbon from fermented broth. Fermentation was carried out using an excess carbon source and limiting nutrients. Subsequent to fermentation, the fermented broth was collected and centrifuged for solid/liquid separation. The biomass (solid fraction) was then dried and the PHA was extracted. The supernatant (liquid fraction) rich in nutrients and carbon was used as culture medium. Different fermentation strategies were carried out using residual nutrients present in the fermented broth. Tests were successively carried out in 300 mL Erlenmeyer flasks and in 5L to 7L capacity fermenters in order to study how certain operating parameters (e.g. carbon/nutrient concentrations and batch feeding mode) may affect PHA production using as strain Curpriavidus necator. The fermented broth’s supernatant obtained from different carbon sources (such as secondary pulp and paper sludge and waste cooking oil) was used as a culture medium during fermentation to determine the impact on biomass and PHA content. Erlenmeyer tests (shake flasks) enabled the selection of the best operating conditions, which were then implemented in bioreactor. Different analysis was performed such as determination of suspended solids (SS), cell count, oil estimation and PHA accumulation. In Erlenmeyers, maximum PHA levels of 23 and 25% (w/w) were respectively estimated in 50% supernatant dilution and 25% dilution, both without minerals. Finally, three bioreactors were simultaneously fed with the following culture media: i) 50% (v/v) supernatant + waste cooking oils with no minerals at 0h (Fermenter-A); ii) 50% (v/v) supernatant + waste cooking oils with minerals at 0h (Fermenter-B); iii) 25% (v/v) supernatant + waste cooking oils with minerals at 0h (Fermenter-C). The pH (6.8), temperature (30C) and dissolved oxygen concentration (30-50 %) were controlled and kept constant during this set of experiments. The highest PHA yield was obtained in Fermenter-B. The PHA yields obtained in Fermenter-A (3 L working volume), Fermentor-B (3 L working volume) and Fermentor-C (4 L working volume) were respectively as follow 59%, 76% and 41%.

Type de document:	Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse:	Drogui, Patrick
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Tyagi, Rajeshwar Dayalet El Haji, Kamal
Mots-clés libres:	bouillon fermenté; PHA; flacon par agitation; séparation solide-liquide; fermented broth; shake flask; solid-liquid separation
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	20 janv. 2021 19:39
Dernière modification:	06 oct. 2021 15:33
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/11174

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