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Université de REIMS CHAMPAGNE-ARDENNE U.F.R. Sciences Exactes et Naturelles Eco

Université de REIMS CHAMPAGNE-ARDENNE U.F.R. Sciences Exactes et Naturelles Ecole Doctorale Sciences Technologies Santé THESE Pour obtenir le grade de Docteur de l’Université de Reims Champagne-Ardenne Discipline : microbiologie industrielle par Vincent PREVOT Comparaison de la production de complexes enzymatiques par fermentation en milieu solide et par fermentation en milieu liquide Thèse dirigée par Monsieur le Professeur Francis DUCHIRON Laboratoire de Microbiologie Industrielle – U.M.R. 614 F.A.R.E. Soutenue publiquement le 12 juin 2013, devant le jury composé de : Mme C. REMOND, Professeur, U.R.C.A., Reims Président Mme J. DE CONINCK, Ingénieur de recherche, Welience, Dijon Rapporteur M. J.-C. SIGOILLOT, Professeur, U.P.M., Marseille Rapporteur M. A. BRESIN, Responsable scientifique, A.R.D., Pomacle Examinateur M. M. LOPEZ, Directeur scientifique, Ets J. Soufflet, Nogent-sur-Seine Examinateur M. F. DUCHIRON, Professeur, U.R.C.A., Reims Directeur de thèse A mes enfants. A ma femme. A ma famille. « Rien ne naît ni ne périt, mais des choses déjà existantes se combinent, puis se séparent de nouveau » - Anaxagore de Clazomènes, philosophe du Vème siècle avant J.-C. REMERCIEMENTS Avant de débuter la présentation d’un travail de plusieurs années, il convient évidemment de remercier toutes les personnes ayant soutenu et pris part, tant moralement que financièrement, de près comme de loin, à l’aboutissement de ce périple qu’est la thèse de doctorat. Aussi, je tiens tout d’abord à remercier chaleureusement Monsieur le Professeur Francis DUCHIRON, professeur à l’URCA et responsable du Laboratoire de Microbiologie Industrielle au sein de l’UMR INRA/URCA 614 FARE, d’avoir accepté de m’accueillir dans son équipe durant cette thèse, mais également d’avoir bien voulu superviser ce travail tout en me conseillant, aussi bien humainement que techniquement. Après ces années passées ensemble, je tiens à lui exprimer ici ma considération pour ses qualités humaines et mon respect le plus sincère. Je tiens ensuite à remercier Messieurs Michel LOPEZ, directeur des projets du programme OSIRIS du groupe Soufflet, et Jean-Luc BARET, ancien directeur scientifique du groupe Soufflet, d’avoir bien voulu me confier ce sujet de thèse et la conduite de ces travaux de recherche. Je les remercie également pour leur encadrement scientifique et mon implication au sein du groupe Soufflet. Je remercie aussi Monsieur Jean-Michel SOUFFLET, président du directoire du groupe éponyme, ainsi que OSEO INNOVATION d’avoir accepté d’initier cette formation au management de projet qu’est une thèse, ces travaux de recherche et de les avoir financé. Je souhaite continuer mes remerciements en soulignant le rôle critique important, mais ô combien appréciable, des membres du jury chargés d’évaluer et d’apprécier la qualité de ces travaux : - Merci à Madame le Professeur Caroline REMOND, directrice adjointe de l’UMR INRA/URCA 614 FARE, d’avoir accepté d’apporter son expertise sur les polysaccharides végétaux et leur fractionnement enzymatique. - Merci à Madame Joëlle DE CONINCK, ingénieur de recherche au sein de Welience, d’avoir bien voulu apporter son expertise en fermentation en milieu solide et en milieu liquide. - Merci à Monsieur le Professeur Jean-Claude SIGOILLOT, directeur de l’UMR INRA/UPM 1163 BCF, d’avoir accepté d’apporter son expertise sur les champignons filamenteux et leurs capacités de dégradation de la lignocellulose. - Merci à Monsieur Anthony BRESIN, responsable des départements biotechnologie blanche et fractionnement au sein de la société Agro-industrie Recherches et Développements du groupe Vivescia, pour sa participation à la revue critique de cette thèse et pour son expertise industrielle en biotechnologie blanche et dans le domaine du végétal. Je souhaite aussi le remercier, en lui exprimant amicalement mon amusement, pour le surnom (« monsieur Osiris ») dont il a bien voulu m’affubler au cours de nos différentes rencontres tout au long de cette thèse. Je tiens également à lui dire, en toute modestie et à la lumière des enjeux actuels et futurs, qu’entre être concurrent et être partenaire, il n’y a qu’un pas… - Merci à l’ensemble des membres du jury d’avoir aimablement pris la charge de travail qui incombe à cette fonction, d’avoir pris le temps de lire ce manuscrit et d’avoir accepté de faire le déplacement pour venir à la soutenance de cette thèse. Je tiens enfin à remercier sincèrement et affectueusement les différentes personnes du Laboratoire de Microbiologie Industrielle (Angélique, Estelle, Parissa et Véronique), les différents membres du groupe Soufflet avec lesquels j’ai pu échanger, et plus particulièrement Sébastien, ainsi que les différentes personnes avec lesquelles j’ai eu le plaisir de collaborer (Lucie et Mohamed). Pour finir, même si mes pensées quotidiennes allaient vers eux avant tout, je terminerais par témoigner mon amour à mes enfants (Elodie et Guillaume), à ma femme (Nadine), à ma famille (Julien, Daniel et Catherine) et à mes amis (Julien, Yann et Xavier). Un grand merci pour leur soutien, leur compréhension et quelque part leur investissement personnel dans cette thèse de doctorat. La fermentation en milieu solide est un bioprocédé pouvant éventuellement être utilisé comme technologie de rupture pour diminuer le coût des biocatalyseurs utilisés dans la conversion de biomasse lignocellulosique comme le son de blé. La première partie de ces travaux de recherche a donc étudié le potentiel de cette technologie par rapport à celle de fermentation en milieu submergé lors d’une comparaison en application. Plusieurs tests de saccharification ont ainsi été réalisés sur différentes matières premières (cellulose, son de blé) et ont permis de montrer l’avantage différentiateur des biocatalyseurs produits par fermentation en milieu solide. Ensuite, la deuxième partie de ces travaux de recherche a porté sur l’étude des facteurs de la récalcitrance du son de blé à l’hydrolyse enzymatique. Deux principaux facteurs ont ainsi pu être démontrés : un facteur physique, lié à l’accessibilité des biocatalyseurs aux polysaccharides, et un facteur biochimique, lié à l’absence ou à la faible présence de certaines activités enzymatiques (féruloyl estérase,…) dans le complexe enzymatique de Trichoderma reesei Rut-C30. Cette étude a également permis d’identifier l’origine des différentes fractions glucidiques hydrolysées et de déterminer le potentiel glucidique actuellement hydrolysable à partir de cette biomasse. Enfin, la dernière partie de ces travaux de recherche a été consacrée à l’étude pratique d’un concept innovant de procédé permettant de favoriser la conversion des polysaccharides contenus dans le son de blé. Une levée de la barrière physique au transfert de masse et par conséquent une validation de ce concept a finalement pu être réalisée. Mots-clés : fermentation en milieu solide, fermentation en milieu submergé, comparaison, lignocellulose, son de blé, Trichoderma reesei. Solid-state fermentation is a bioprocess that can optionally be used as disruptive technology to reduce the cost of biocatalysts used in the lignocellulosic biomass conversion like wheat bran. The first part of this research has explored the potential of this technology compared to submerged fermentation in an application comparison. Several saccharification tests have thus been carried on different feedstocks (cellulose, wheat bran) and have shown the differentiator advantage of biocatalysts produced by solid state fermentation. Then, the second part of this research has investigated the recalcitrance factors of wheat bran to enzymatic hydrolysis. Two main factors have thus been demonstrated: a physical factor, related to the accessibility of biocatalysts to the polysaccharides, and a biochemical factor, related to the absence or the low presence of some enzymatic activities (feruloyl esterase, ...) in the enzymatic complex of Trichoderma reesei Rut-C30. This study has also identified the origin of the various carbohydrate moieties hydrolyzed and has determined the carbohydrate potential currently releasable from this biomass. Finally, the last part of this research has been devoted to the practical study of an innovative concept of process to promote the conversion of polysaccharides in wheat bran. A removal of the physical barrier to mass transfer and therefore a validation of this concept has finally been achieved. Keywords: solid-state fermentation, submerged fermentation, comparison, lignocellulose, wheat bran, Trichoderma reesei. TABLE DES MATIERES REMERCIEMENTS ................................................................................................................ 7 RESUME ................................................................................................................................. 10 TABLE DES MATIERES ..................................................................................................... 12 LISTE DES TABLEAUX ...................................................................................................... 17 LISTE DES FIGURES ........................................................................................................... 18 LISTE DES ABREVIATIONS ............................................................................................. 21 LISTE DES ACRONYMES .................................................................................................. 22 INTRODUCTION .................................................................................................................... 23 ETAT DE L’ART ..................................................................................................................... 26 1. CONTEXTE ET ENJEUX ................................................................................................ 27 1.1. LES DEFIS ENERGETIQUES, ECONOMIQUES ET GEOPOLITIQUES ............................. 27 1.2. LES DEFIS ALIMENTAIRES ET SOCIETAUX ............................................................... 28 1.3. LES DEFIS CLIMATIQUES ET ENVIRONNEMENTAUX ................................................ 29 1.4. LA TROISIEME REVOLUTION INDUSTRIELLE : L’ESSOR DES BIORAFFINERIES ........ 30 2. LE PROCEDE DE CONVERSION PAR VOIE BIOCHIMIQUE DE LA BIOMASSE LIGNOCELLULOSIQUE EN BIOPRODUITS ................................................................. 33 2.1. LA MATIERE PREMIERE .......................................................................................... 34 2.1.1. Le blé ...................................................................................................... 34 2.1.2. Le grain de blé ........................................................................................ 35 2.1.3. Le son de blé ........................................................................................... 36 2.1.4. Les parois cellulaires végétales et leur structure ................................... 38 2.1.5. Les principaux constituants des parois cellulaires végétales ................. 40 2.1.5.1. La cellulose .............................................................................. 40 2.1.5.2. L’hémicellulose ....................................................................... 42 2.1.5.3. Les pectines .............................................................................. 44 2.1.5.4. Les lipides ................................................................................ 44 2.1.5.5. Les protéines ............................................................................ 44 2.1.5.6. Les acides phénoliques ............................................................ 45 2.1.5.7. La lignine ................................................................................. 46 2.2. LE PRETRAITEMENT ............................................................................................... 49 2.3. LES PRINCIPAUX BIOCATALYSEURS LIGNOCELLULOLYTIQUES ............................... 51 2.3.1. Les cellulases et la cellulolyse ................................................................ 51 2.3.2. Les hémicellulases et les enzymes accessoires ....................................... 54 2.3.3. Les ligninases ......................................................................................... 56 2.4. LA PRODUCTION D’ENZYMES ET L’HYDROLYSE ENZYMATIQUE .............................. 56 2.4.1. Les souches productrices de complexes lignocellulolytiques ................. 56 2.4.2. La récalcitrance de la biomasse uploads/Science et Technologie/ 2013-reims-009.pdf