Développement en biofilm d’une bactérie pour la production d’alcools biosourcés en C3/C4

Thèse de Maxime Carrié : « Etude et modélisation de la fermentation IBE en biofilm » 

Le marché des alcools biosourcés est aujourd’hui très majoritairement centré sur la production d’éthanol pour un usage dans les biocarburants. Les alcools en C3 et C4 sont quant à eux des molécules plateformes pour la chimie biosourcée, mais leur essor se heurte à des productivités plus faibles du fait d’une tolérance limitée des microorganismes vis-à-vis de ces métabolites.

Une des stratégies d’augmentation de ces productivités a consisté à développer un mode de production continu couplé à un système de rétention de la biomasse au sein du réacteur. Son principe, breveté par IFPEN [1], a consisté à exploiter la capacité naturelle du microorganisme à se développer sous forme d’un biofilm productif. Ce dernier immobilise les cellules bactériennes, ce qui augmente le temps de séjour et la concentration des bactéries dans le réacteur, avec comme effet la multiplication par 4 de la productivité volumique. Cette mise en œuvre atypique et novatrice pose néanmoins de nombreux défis de compréhension en vue de son changement d’échelle, d’autant que les biofilms productifs restent très peu décrits dans la littérature.

Le travail de thèse a porté sur la caractérisation de ce type de biofilm au travers de nouvelles approches utilisant la cytométrie en flux^a [2] et la microscopie confocale^b (Figure). Grâce à ces méthodologies, l’évolution de la viabilité du biofilm formé au cours du temps a été décrite. En parallèle, un modèle temporel de production de métabolites a été développé. Il permet de décrire la fermentation immobilisée continue sous forme d’un jeu de 15 équations. De plus, la constitution d’une base de données expérimentale de fermentations immobilisées, puis son exploitation, a permis d’identifier les paramètres clés du modèle, lequel a été ensuite implémenté dans un outil numérique.

Cet outil numérique [3] décrit bien les phénomènes mis en jeu (croissance du biofilm, production de molécules^c). Il rend compte des phénomènes de détachement et d’attachement des cellules, dans les bioréacteurs, ainsi que de la montée en régime et de la productivité volumique associée.

Ce travail a largement contribué à améliorer les connaissances sur la formation des biofilms et ouvre la voie vers une meilleure compréhension du procédé immobilisé. Ceci va permettre d’en améliorer la conduite et les performances, à la fois en termes de reproductibilité mais aussi d’optimisation de la productivité volumique.

a- Technique de caractérisation individuelle, quantitative et qualitative, de particules en suspension dans un liquide.
b- Permettant de réaliser des images de très faible profondeur de champ.
c- Isopropanol-butanol-ethanol

Références :

1. Carrié, M.; Velly, H.; Ben-Chaabane, F.; Gabelle, J.-C. (2022) « Méthode permettant la conduite d’un Procédé de production d’alcools par fermentation », Patent pending, FR21 11141.
       

2. Carrié, M.; Gabelle, J.-C.; Ben-Chaabane, F.; Velly, H. (2022) "Enzymatic breakdown of biofilm matrix to allow flow cytometry viability analysis of Clostridium beijerinckii cells". In : Journal of Applied Microbiology. Accepted .
     

3. Carrié, M.; Velly, H.; Ben-Chaabane, F.; Gabelle, J.-C. (2022) "Modeling fixed bed bioreactors for isopropanol and butanol production using Clostridium beijerinckii DSM 6423 immobilized on polyurethane foams". In : Biochemical Engineering Journal, vol. 180.
   >> https://doi.org/10.1016/j.bej.2022.108355 
   
     

Contacts scientifiques : jean-christophe.gabelle@ifpen.fr ; helene.velly@ifpen.fr

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