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Bioproduction of fumaric acid and its derivatives using agro-industrial residues as feedstock.

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Sebastian, Joseph (2021). Bioproduction of fumaric acid and its derivatives using agro-industrial residues as feedstock. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 217 p.

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Résumé

L'acide fumarique (AF) est un produit métabolique microbien qui a été identifié comme une importante plate-forme chimique pour les les dérivées des hydrates de carbone par le ministère américain de l'énergie (DOE). La présence d'un groupe dicarboxylique en plus de la double liaison rend l'acide fumarique modifiable chimiquement et utilisable comme monomère pour la synthèse de polymères biodégradables. À l'heure actuelle, la demande mondiale en AF est assurée uniquement par la conversion chimique de l'anhydride maléique, dérivé du pétrole en acide maléique, en acide fumarique, ce qui entraîne la libération de gaz toxiques et de gaz à effet de serre qui polluent l'environnement et contribuent au réchauffement de la planète. L'augmentation prévue de la demande et la pollution qui en découle ne feront qu'aggraver les impacts négatifs sur l'environnement. Pour atténuer ces effets, la bioproduction de l'acide fumarique a fait l’objet de cette étude. La bioproduction constitue donc une voie de synthèse alternative, durable et respectueuse de l'environnement qui permet la fixation et la récupération du carbone. Dans la présente étude, différents résidus agro-industriels, tels que les boues d'ultrafiltration de marc de pomme et le marc de pomme, ainsi que de la biomasse lignocellulosique, ont été utilisés comme substrat pour la production d'AF par fermentation submergée en utilisant le champignon R. oryzae. L'acide fumarique ainsi produit a été ensuite converti en ses esters correspondants à l'aide d'une stratégie de bioconversion qui utilise des enzymes, telles que la lipase et l'estérase, pour catalyser la conversion. De plus, la biomasse résiduelle a été soumise à une extraction alcaline pour récupérer du chitosane et, à cet effet, les conditions optimales de l'irradiation par micro-ondes ont été identifiées. La production d'AF est associée à la morphologie du champignon et l'adoption de la stratégie d'immobilisation nous permet de surmonter cette limitation et avoir un meilleur contrôle du processus. Cet effet a été étudié dans ce projet de recherche. Parmi les matériaux étudiés, la mousse de polystyrène s'est avérée être le matériau de support idéal pour l'immobilisation de R. oryzae. De plus, la réduction de la taille du matériau de support a conduit à une amélioration significative du rendement en AF (27 g/L contre 19 g/L) ainsi qu'à une réduction considérable de la phase de latence de la production d'AF. Afin d’améliorer encore la production d'AF, la fermentation en mode fed-batch a été effectuée avec un apport discontinu de mélasse comme nourriture. Cela a permis de tripler le rendement en AF à l'échelle de la fiole et de l'augmenter à l'échelle du fermenteur pour obtenir un titre AF de 12 g/l. Dans le but d’améliorer encore la compétitivité économique du processus de bioproduction, la possibilité d'extraire le chitosan à partir de la biomasse fongique a été également étudiée. À cet effet, les conditions optimales des paramètres opératoires (puissance et de durée de chauffage) de de l'extraction assistée par micro-ondes (MAE) du chitosane ont été identifiées comme étant 300W (puissance) et 22 minutes (durée de chauffage). Le chitosane obtenu dans ces conditions optimales a montré un degré plus élevé de désacétylation (94,6 %), un poids moléculaire plus élevé (127,6 kDa), un rendement plus élevé de 13,43 % (p/p) et une consommation d'énergie plus faible que le chitosane extrait par voie chimique standard. Ces résultats ont un impact positif et améliore la compétitivité économique du bioprocessus en permettant ainsi un processus de bioproduction circulaire.

Abstract

Fumaric acid (FA), is a microbial metabolic product that has been identified as an important carbohydrate-derived platform chemical by the US Department of Energy (DOE). The presence of the dicarboxylic group in addition to the double bond renders FA amenable to chemical modifications and suitable for use as a monomer for the synthesis of biodegradable polymers. At present, the global demand for FA is solely fulfilled via chemical conversion of petroleum-derived maleic anhydride to maleic acid and thereafter to fumaric acid, leading to the release of toxic as well as greenhouse gases causing environmental pollution and contributes to global warming. The expected future increase in demand and the associated pollution will further add to the stresses on the environment. To alleviate the associated stress on the environment bioproduction of fumaric acid is being considered. Hence, offering an attractive alternate sustainable and environmentally friendly means of synthesis that allows for carbon fixation and recovery. In the current investigation, different agro-industrial residues, such as apple pomace ultrafiltration sludge and apple pomace, and lignocellulosic biomass, were used as a substrate for FA production through submerged fermentation employing R. oryzae. The fumaric so produced will then be converted to its corresponding esters using a bioconversion strategy that utilizes enzymes, such as lipase and esterase, to catalyze the conversion. Additionally, the recovered biomass was subjected to alkaline extraction of chitosan and to this effect the optimal conditions of the more efficient microwave irradiation were identified. FA production is associated with fungal morphology and the adoption of the strategy of immobilization allows us to overcome this limitation and allow for better process control and was investigated. Polystyrene foam was found to be the ideal support material for the immobilization of R. oryzae among the materials investigated. Additionally, the reduction in the size of the support material led to a significant improvement in FA yield (27 g/L against 19 g/L) as well as a considerable reduction in the lag-phase of FA production. To further improve the quantity of FA obtained, operating the fermentation in fed-batch mode was considered with intermittent supplementation of molasses as feed. This led to an additional three-fold increase in FA yield at flask scale and scale-up in fermenter provided for a FA titer of 12 g/L. To further improve the economic competitiveness of the bioproduction process the possibility of chitosan extraction from the fungal biomass was investigated. To this effect, the optimal conditions of power and duration of heating for microwave-assisted extraction (MAE) of chitosan from R. oryzae biomass were identified. The optimal conditions were identified to be 300W (power) and 22 minutes (duration of heating). Chitosan obtained under the optimal conditions of microwave extraction showed a higher degree of deacetylation (94.6 %), higher molecular weight (127.6 kDa), higher yield of 13.43 % (w/w) and lower energy consumption. These have a profound impact on the economic competitiveness of the bioprocess as well as allow for a circular bioproduction process.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Brar, Satinder Kaur
Co-directeurs de mémoire/thèse: Rouissi, Tarek
Mots-clés libres: acide fumarique; esters fumarates; bioproduction; immobilisation; bioconversion; R. oryzae; biomasse lignocellulosique; chitosane; extraction assistée par micro-onde; fumaric acid; fumarate esters; bioproduction; immobilization; bioconversion; lignocellulosic biomass; chitosan; microwave-assisted extraction
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 04 mars 2022 16:48
Dernière modification: 04 mars 2022 16:48
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/12479

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