Extraction / purification de biomolécules : vers l’intensification de procédés intégrés - INRAE - Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement Access content directly
Habilitation À Diriger Des Recherches Year : 2023

Extraction / purification of biomolecules: towards integrated processes intensification

Extraction / purification de biomolécules : vers l’intensification de procédés intégrés

Abstract

Face à l’exploitation intensive des ressources naturelles fossiles, la bio-économie est devenue un concept clé pour adopter une stratégie de croissance durable. L’utilisation de procédés biotechnologiques et la valorisation de la biomasse, au sein de bio-raffineries, contribuent au déploiement de cette bio-économie. Afin de développer des (bio)-procédés robustes à l’échelle industrielle, ceux-ci doivent être intensifiés et combinés à des étapes de pré/post-traitement, au sein d’une approche d’optimisation multicritère couvrant les performances techniques, économiques et environnementales. Dans le cas de la production par voie microbienne de molécules d’intérêt, un verrou récurrent concerne la toxicité, pour le microorganisme producteur, du composé d’intérêt et/ou de coproduits des voies de biosynthèse, induisant des performances insuffisantes des cinétiques réactionnelles. Les procédés mettant en œuvre des étapes d’extraction/fractionnement/purification (downstream) intégrées à la bio-production (upstream) visent à apporter des solutions à ces limitations, via l’extraction in situ ou in stream, et à obtenir, in fine, des molécules fonctionnelles de haute pureté. Toutefois, cette stratégie soulève de nouvelles questions scientifiques et des défis technologiques couvrant les étapes unitaires des procédés intégrés et leurs interactions. Elle amène souvent à repenser ces procédés au regard des « nouveaux milieux » dilués et de composition complexe, et des besoins en techniques séparatives performantes, flexibles, biocompatibles et éco-conçues, comme les techniques membranaires. C’est dans ce cadre que j’ai pu développer et mettre en œuvre une expertise autour des procédés de contacteurs membranaires, de pervaporation et de perméation de vapeur, pour d’extraction/fractionnement/purification de molécules fonctionnelles produites par voie microbienne ou issues de ressources agro-industrielles. Ce mémoire présente une synthèse de mes travaux de recherche en génie des procédés de la séparation au sein de l’UMR SayFood (Paris Saclay Food and Bioproduct Engineering, INRAe-AgroParisTech), et une réflexion sur les priorités à venir. Acide 3-hydroxypropionique, acide p-coumarique, 2-phényléthanol, acétate d’éthyle, n-butanol et éthanol sont à ce stade les principales molécules fonctionnelles auxquelles mes travaux se sont intéressés. Au sein de l’équipe ProBioSSep (Procédés microBiologiques, Stabilisation, Séparation), nous étudions des procédés pour la bio-production intégrée à l’extraction sélective et à la purification de ces molécules, avec un objectif de maîtrise de cette intégration et de compréhension fine des mécanismes sous-jacents. Nous avons mis au point les développements méthodologiques nécessaires, obtenu des preuves de concept originales de l’effet d’intensification attendu et identifié de nombreuses pistes d’amélioration. Cette approche intégrée est prometteuse étant donné la complexité du système biologique et les nombreuses interactions et rétroactions possibles. En effet, outre les interactions classiques entre métabolites en compétition lors des séparations membranaires, les procédés intégrés nécessitent de maîtriser un compromis de conditions opératoires, des paramètres physiques (cisaillement notamment) et physiologiques des microorganismes mis en œuvre pour obtenir les produits souhaités. Il ne paraît pas pertinent d’étudier ces procédés comme un ensemble d’opérations unitaires mais comme une opération intégrée complexe. Les perspectives de recherche portent sur la poursuite de nos travaux de compréhension et de maitrise des mécanismes et des procédés sur de nouveaux objets d’étude, avec un spectre élargi et en s’appuyant sur l’expérience acquise sur les procédés membranaires et les bio-procédés cités plus haut : explorer le potentiel de nouveaux substrats (biomasse végétale, micro-algues, coproduits et effluents agro-industriels, bio-déchets) et de nouveaux microorganismes plateforme pour la production de nouvelles molécules d’intérêt, innover en matière de séparation par contacteur membranaire et par pervaporation organophile/hydrophile, en allant vers l’hybridation des procédés notamment, et élargir l’approche d’évaluation multicritère. Ces travaux de recherche ont été/sont menés à travers des projets collaboratifs (ANR, ADEME, INRAe, AgroParisTech, etc), en collaboration avec un réseau de partenaires académiques nationaux et internationaux, parfois avec des acteurs professionnels, et au croisement de trois domaines disciplinaires (le génie des procédés, le génie microbiologique et la modélisation). Couplés à mes activités d’enseignement, tout aussi riches et passionnantes au sein du département SPAB d’AgroParisTech (Sciences et Procédés des Aliments et Bioproduits), ils offrent un terrain fertile pour la formation par la recherche et au service de celle-ci, et à la valorisation des résultats, actions dont les bilans sont présentés dans ce mémoire.
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Dates and versions

tel-04546572 , version 1 (15-04-2024)

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  • HAL Id : tel-04546572 , version 1

Cite

Marwen Moussa. Extraction / purification de biomolécules : vers l’intensification de procédés intégrés. Génie des procédés. Université Paris-Saclay, 2023. ⟨tel-04546572⟩
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