Électrolyse chimique et microbienne de déchets agro-industriels pour la production de composés à haute valeur ajoutée.

Khosravanipour Mostafazadeh, Ali (2019). Électrolyse chimique et microbienne de déchets agro-industriels pour la production de composés à haute valeur ajoutée. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 254 p.

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Résumé

Premier article L'utilisation des ressources renouvelables pour produire des produits chimiques et des carburants est de nos jours de plus en plus sollicitée. Les matières organiques issues des déchets agro-industriels peuvent être utilisées comme matière première pour la production de biocarburants et de produits biochimiques. Cette revue de littérature présente l’électrosynthèse microbienne (ESM) en tant que technologie émergente pour la production de solvants et d'alcools à partir de déchets organiques. L'utilisation d'un système assisté par l'électricité dans le métabolisme des microorganismes anaérobies a montré une amélioration de la production des solvants par rapport aux méthodes de fermentation classiques. À la lumière des intérêts actuels, les électrotrophes sont des souches microbiennes qui peuvent accepter un électron provenant de la cathode pour ensuite réduire les matières organiques (sources de carbone) en des produits biochimiques intéressants. En effet, le glucose, le glycérol et d'autres composés organiques pourraient être convertis en bio-solvants à valeur ajoutée notamment l'éthanol, le butanol, l'acétone et le propanediol. Par ailleurs, cette revue aborde la synthèse microbienne de produits chimiques, en particulier les solvants et les alcools, grâce à la réduction des substrats multi-carbone. Elle met également en évidence les avantages de l’ESM. Deuxième article Un ensemble d'expériences ont été réalisées pour étudier la production de biobutanol en tant que nouveau biocarburant. L'objectif de ce travail était de comprendre le mécanisme et le taux de production du biobutanol par bioélectrosynthèse (BES) en utilisant le glucose comme substrat. Quatre facteurs principaux, à savoir le matériau des électrodes (la surface de l'électrode sur le volume du réacteur, S/V = 0.083 cm²/mL), la concentration du substrat, la température de fonctionnement et la tension appliquée ont été étudiés en mode discontinu pour fixer les conditions optimales de production maximale de butanol par C. pasteurianum. Le milieu standard P2 modifié (MP2) et le milieu standard minimal (MMS) ont été utilisés comme milieu de fermentation en mode de fonctionnement batch (par lots). L'optimisation statistique à l'aide de la méthodologie de plan centrale composite (CCD) a été utilisée pour maximiser la production de butanol dans la gamme expérimentale. La production maximale de butanol à 13,3 g/L (comparativement à la valeur enregistrée (10.2 g/L) lors de l’essai contrôle) a été obtenue en appliquant 1,32 V, ce qui prouve la pertinence de cette procédure. Aussi, la production du butanol pouvait être améliorée de façon remarquable par des microorganismes électroactifs dans la chambre cathodique et ce, dans les conditions optimales d’utilisation de MMS. Troisième article En ce qui concerne ces travaux, une concentration de 7,42 g/L (comparativement à la valeur enregistrée (4.6 g/L) lors de l’essai contrôle) de 1,3-propanediol (1,3-PD) a été produite en utilisant EMS et C. pasteurianum dans un réacteur de type H en utilisant du glycérol pur et brut et ce, dans les conditions optimales suivantes : 1,6 V de tension appliquée, 33,9 °C de température et 41,3 g/L de concentration en substrat (rapport C/N de 36,9 g/g). Pour ce faire, la méthodologie de surface de réponse (MSR) a été appliquée en vue d’optimiser les conditions de fonctionnement. Un biofilm stable, généré à la surface de la cathode en feutre de graphite, contribuait à l’augmentation des voies réactionnelles conduisant à la production de 1,3-PD. De plus, l’amélioration de la production de 1,3-PD a été démontrée avec succès dans un système d'électro-bioréacteur et ce, en tenant compte de l’équilibre d'équivalent d'électrons et des calculs NADH. Quatrième article La conversion électrochimique du glycérol pur et brut en produits à valeur ajoutée a été étudiée. La génération maximale de produits non-acides (dihydroxyacétone, acétol et glycidol) et d’acides organiques (acide acétique, acide lactique et acide formique) ont été optimisées par la méthode de surface de réponse (MSR). Selon la chronoampérométrie et la chronopotentiométrie, l’électrosynthèse microbienne (ESM) opérée à courant constant a plus d'efficacité que lorsque la tension est maintenue constante. Les variables considérées étaient : le pH de la solution, le type de catalyseur (électrodes de Pt, Pt/Ti ou Pt noir, la surface de l'électrode sur le volume du réacteur, S/V = 0.13 cm²/mL), l’intensité du courant, la durée de fonctionnement et la concentration de glycérol dans le réacteur électrocatalytique discontinu. Les concentrations et le type de produits générés ainsi que le mécanisme réactionnel ont également été étudiés. En outre, les résultats ont montré que, dans des milieux très acides (pH autour de 1.4), une production élevée de produits non-acides a été obtenue en utilisant une électrode de Pt avec un rendement de 72% d’acétol et en imposant une intensité de courant de 0,31 A pendant maximum 12 heures de fonctionnement.

First article Using renewable resources to produce chemicals and fuels is increasing. Organic materials from wastes and carbon dioxide are renewable and serve as alternative sources for the production of biofuels and biochemicals. This review provides a survey of solvents and alcohols production from organic matter by microbial electrosynthesis (MES) as a new emerging technology. Using electricity-assisted system in anaerobic microorganisms metabolism (biocatalysts) showed improvement in solvent production compared to conventional fermentation methods. Electrotrophs, the kind of microbial strains which can accept the electron from the cathode to reduce organic carbon source materials to valuable biochemicals is of interest nowadays. Glucose, glycerol, and other organic compounds could be converted into high value-added bio-solvents, such as ethanol, butanol, acetone, and propanediol. This review addresses electricity-driven microbial synthesis of chemicals especially solvents and alcohols by reduction of multi-carbon substrates considering the characteristics and advantages of MES.Second article A set of experiments have been performed to investigate the production of biobutanol as a novel applicable biofuel in a bioelectrolysis cell (BEC). The objective of this work was to understand the mechanism and production rate of the biobutanol by bioelectrosynthesis (BES) using glucose as a substrate. Four main factors, such as electrode materials, substrate concentration, operating temperature, and poised applied voltage were investigated in batch mode to achieve optimum condition for producing maximum butanol by C. pasteurianum in BEC. Standard modified P2 medium (MP2) and standard minimal medium (SMM) were used as fermentation media in batch operation mode. Numerical optimization using a central composite design (CCD) method has been used to maximize the butanol production within the experimental range. The maximum butanol production 13.31 g/L was obtained by applying 1.32 V indicating the suitability of this procedure. The results showed that by applying optimum conditions in SMM, the butanol could be enhanced remarkably by electroactive microorganisms in the cathode chamber.Third article We also produced 7.42 g/L of 1,3-propanediol (1,3-PD) by using EMS and C. pasteurianum in batch H-type reactor by using pure and crude glycerol under the following optimum conditions: 1.6 V of applied voltage, 33.9 °C of temperature, and 41.3 g/L of substrate concentration (C/N ratio of 36.9 g/g). Response surface methodology (RSM) was applied to optimize operating conditions. We observed that by generating stable biofilm on graphite felt cathode, the reaction pathways go to increase in 1,3-PD production. Moreover, by electron equivalent balance and NADH calculations, we demonstrate that the 1,3-PD was enhanced in an electro-bioreactor system successfully.Fourth article In this study, the electrochemical conversion of pure and crude glycerol into value-added products have been investigated. The maximum non-acidic (dihydroxyacetone/hydroxyacetone or acetol/glycidol) and organic acids (acetic acid, lactic acid, formic acid) formations were optimized using response surface methodology (RSM) method in terms of electrolyte solution (pH), catalyst (electrode) type, current intensity, duration of operation, and glycerol concentration in a batch electro-catalytic reactor using platinum (Pt), platinized titanium (Pt/Ti), and black Pt. Products concentrations and distributions, and reaction mechanism and pathway have also been investigated. The results showed that under strong acidic conditions, the highest chemical production was achieved using Pt electrode, and under the optimized conditions, high acetol yield of 72% at 0.31 A during 12 hours of operation was observed.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Drogui, Patrick
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Brar, Satinder Kauret Buelna, Gerardo
Mots-clés libres:	produit à valeur ajoutée; déchet de nutriments; synthèse électro-microbienne; conversion électrochimique; facteurs effectifs et optimisation; value-added product; nutrient waste; electro-microbial synthesis; electrochemical conversion; effective factors, and optimization
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	04 déc. 2019 14:33
Dernière modification:	06 oct. 2021 17:42
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/9665

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