Les biocarburants présentent une alternative prometteuse à l'utilisation de carburants fossiles. Cependant, l'augmentation de la quantité de biocarburants introduite dans les carburants nécessite de connaître leur impact sur les émissions de polluants. Le travail réalisé lors de cette thèse peut être décrit en deux parties : La première traite de l'évaluation des émissions de polluants réglementés et non réglementés émis par la combustion de biocarburants dans un moteur diesel. Différents biocarburants ont été testés : des esters méthyliques d'huile de soja et de colza, des esters éthyliques d'huile usagée et un carburant de référence exempt de tout biocarburant. Les résultats montrent que la nature des biocarburants ainsi que leur teneur ont un impact sur les polluants émis. Par exemple, une diminution de la taille des particules émises a été observée avec l'utilisation des esters méthyliques d'huile de soja. Le deuxième objectif de cette thèse concerne le piégeage des polluants Diesel, notamment des composés organiques volatils par des zéolithes. Plusieurs zéolithes ont été synthétisées puis caractérisées. Des tests d'adsorption par thermogravimétrie ont ensuite été réalisés au laboratoire avec différentes molécules sondes représentatives des polluants émis par les moteurs Diesel (le n-hexane, le p-xylène et l'acétone). Certaines zéolithes comme les zéolithes faujasite présentent des capacités d'adsorption intéressantes. Toutefois, la plupart des résultats montrent une diminution de la capacité d'adsorption avec l'augmentation de la température. Ces zéolithes ont ensuite été placées en sortie d'échappement d'un moteur diesel afin d'étudier leur capacité d'adsorption.

L'Analyse de Cycle de Vie (ACV) a été explicitement employée, dans le cadre législatif en Europe et aux Etats-Unis afin de quantifier les bénéfices de filières biocarburants vis-à-vis des objectifs de réduction d'émissions des gaz à effet de serre (GES) et d'indépendance énergétique. Nous investiguons, au cours de cette thèse, la concordance du développement des biocarburants avancés (éthanol lignocellulosique, Biomass to Liquids - BTL, EMHV/HVO à partir de microalgues) avec ces objectifs par le biais de deux travaux indépendants. Le premier est une méta-analyse (synthèse de littérature) des études ACV appliquées aux filières de biocarburants avancés. Dans cette partie de la thèse, en utilisant des méthodes économétriques, nous identifions et quantifions les facteurs qui impactent le plus les résultats d'émissions de GES au long du cycle de vie des produits étudiés et calculons l'intervalle de confiance pour ces résultats. Le deuxième travail est une ACV conséquentielle et prospective illustrée par une étude de cas concernant l'introduction du BTL en France. Nous avons adapté un modèle prospectif de type TIMES pour la réalisation d'évaluations environnementales. De cette façon, nous prenons en compte des mécanismes économiques à l'origine d'impacts sur d'autres systèmes de la production de biocarburants. Ainsi, nous contribuons aux développements méthodologiques autour de l'ACV conséquentielle et prospective avec des discussions sur la définition de l'unité fonctionnelle, la définition des frontières du système, l'inclusion d'aspects dynamiques dans la caractérisation d'impacts, l'utilisation de scénarios (différents contextes politiques et économiques) et la réalisation des analyses de sensibilité sur les frontières du système pour mettre en évidence les limites du modèle utilisé.

Les mélanges GtL/EMHC/éthanol ont un potentiel important comme carburant alternatif pour moteur Diesel.Néanmoins, l'utilisation de ce type de biocarburant en moteur Diesel nécessite une connaissance précise de la cinétiqued'oxydation de ses différents constituants.Une étude bibliographique approfondie a permis de sélectionner quatre espèces modèles représentatives des mélangesGtL/EMHC/éthanol : le n-décane, l'iso-octane, l'octanoate de méthyle et l'éthanol. L'oxydation de mélanges de cesespèces modèles a ensuite été étudiée en réacteur auto-agité à haute pression (10 atm), pour trois richesses (0,5 ; 1 et 2) etsur un large domaine de température (550-1150 K). L'analyse des échantillons par chromatographie en phase gazeuse apermis de quantifier les principaux produits issus de l'oxydation des mélanges étudiés. Un mécanisme cinétique détaillécapable de reproduire l'oxydation des mélanges n-décane/iso-octane/octanoate de méthyle/éthanol a ensuite été mis aupoint. Les prédictions du modèle reproduisent de manière satisfaisante les résultats expérimentaux sur toute la gamme derichesse et de température testée en réacteur auto-agité. L'analyse du modèle a également permis de déterminer les voiesréactionnelles prépondérantes en fonction de la composition des mélanges.Enfin, la combustion de mélanges GtL/EMAG/éthanol a été étudiée en moteur monocylindre Diesel. Cette phased'essais, incluant une analyse approfondie des émissions non réglementées, a permis d'observer l'influence de laformulation des carburants sur l'initiation de la combustion et sur la composition des gaz d'échappements.

L'invocation, l'application et les implications politiques du principe de précaution suscitent de nombreux débats. Les décideurs sont constamment confrontés à un dilemme, celui de traiter des risques technologiques pour la santé humaine, la sécurité et l'environnement. En utilisant la théorie de l'activité communicative et la théorie du droit et de la démocratie de Habermas, cette thèse explore à la fois l'invocation et l'application légitimes du principe de précaution et les politiques publiques de précaution sur la base de l'examen des fondements normatifs et de la performance du principe de précaution en politique publique. En outre, cette thèse met les politiques publiques de précaution à l'épreuve des biocarburants. / The invocation, application and policy implications of the precautionary principle are giving rise to much debate. Policymakers are constantly confronted with the dilemma of dealing with the technological risks to human health, safety and the environment. By using Habermas¡¯s theory of communicative activity and discourse theory of law and democracy, this thesis explores both the legitimate invocation and application of the precautionary principle and the precautionary public policy on the basis of reviewing the normative foundations and performance of the precautionary principle in public policy. Furthermore, this thesis puts the precautionary public policy to the test of biofuels.

Les mélanges GtL/EMHC/éthanol ont un potentiel important comme carburant alternatif pour moteur Diesel.Néanmoins, l’utilisation de ce type de biocarburant en moteur Diesel nécessite une connaissance précise de la cinétiqued’oxydation de ses différents constituants.Une étude bibliographique approfondie a permis de sélectionner quatre espèces modèles représentatives des mélangesGtL/EMHC/éthanol : le n-décane, l’iso-octane, l’octanoate de méthyle et l’éthanol. L’oxydation de mélanges de cesespèces modèles a ensuite été étudiée en réacteur auto-agité à haute pression (10 atm), pour trois richesses (0,5 ; 1 et 2) etsur un large domaine de température (550-1150 K). L’analyse des échantillons par chromatographie en phase gazeuse apermis de quantifier les principaux produits issus de l’oxydation des mélanges étudiés. Un mécanisme cinétique détaillécapable de reproduire l’oxydation des mélanges n-décane/iso-octane/octanoate de méthyle/éthanol a ensuite été mis aupoint. Les prédictions du modèle reproduisent de manière satisfaisante les résultats expérimentaux sur toute la gamme derichesse et de température testée en réacteur auto-agité. L’analyse du modèle a également permis de déterminer les voiesréactionnelles prépondérantes en fonction de la composition des mélanges.Enfin, la combustion de mélanges GtL/EMAG/éthanol a été étudiée en moteur monocylindre Diesel. Cette phased’essais, incluant une analyse approfondie des émissions non réglementées, a permis d’observer l’influence de laformulation des carburants sur l’initiation de la combustion et sur la composition des gaz d’échappements. / As concern about global warming and dependences on fossil fuel grows, there is an increasing interest to shift fromtraditional fuel to renewable energy sources. Blends of Fischer-Tropsch (F-T) fuels, biodiesel and ethanol seem to be apromising fuel for compression ignition (CI) engine application. The aim of this work is to study and model the impact ofthese fuels on combustion and pollutant emissions.In the present study, mixtures of 4 species are proposed to represent the oxidation of F-T/biodiesel/ethanol blends: ndecane,iso-octane, methyl octanoate and ethanol. The kinetic of oxidation of n-decane/iso-octane/methyloctanoate/ethanol blends was studied experimentally in a jet stirred reactor at 10 atm and a constant residence time of 1 s,over the temperature range of 560-1160 K and for three equivalence ratio (0.5, 1 and 2). A kinetic reaction mechanismwas developed and used to simulate the oxidation of n-decane/iso-octane/methyl octanoate/ethanol mixtures. Theproposed kinetic reaction mechanism yields a good representation of the kinetic of oxidation of the tested biofuel blends.The kinetic analyses allowed identifying the most influencing reactions for the oxidation rate of the fuels.Finally, four F-T/biodiesel/ethanol blends have been tested on a single cylinder, direct injection, four-stroke Dieselengine. This study, including an analysis of unregulated emissions allowed observing the influence of fuel formulationon combustion and on pollutant emissions. These main engine results tendencies have been compared to the results of thekinetic model.

L'Analyse de Cycle de Vie (ACV) a été explicitement employée, dans le cadre législatif en Europe et aux Etats-Unis afin de quantifier les bénéfices de filières biocarburants vis-à-vis des objectifs de réduction d'émissions des gaz à effet de serre (GES) et d'indépendance énergétique. Nous investiguons, au cours de cette thèse, la concordance du développement des biocarburants avancés (éthanol lignocellulosique, Biomass to Liquids - BTL, EMHV/HVO à partir de microalgues) avec ces objectifs par le biais de deux travaux indépendants. Le premier est une méta-analyse (synthèse de littérature) des études ACV appliquées aux filières de biocarburants avancés. Dans cette partie de la thèse, en utilisant des méthodes économétriques, nous identifions et quantifions les facteurs qui impactent le plus les résultats d'émissions de GES au long du cycle de vie des produits étudiés et calculons l'intervalle de confiance pour ces résultats. Le deuxième travail est une ACV conséquentielle et prospective illustrée par une étude de cas concernant l'introduction du BTL en France. Nous avons adapté un modèle prospectif de type TIMES pour la réalisation d'évaluations environnementales. De cette façon, nous prenons en compte des mécanismes économiques à l'origine d'impacts sur d'autres systèmes de la production de biocarburants. Ainsi, nous contribuons aux développements méthodologiques autour de l'ACV conséquentielle et prospective avec des discussions sur la définition de l'unité fonctionnelle, la définition des frontières du système, l'inclusion d'aspects dynamiques dans la caractérisation d'impacts, l'utilisation de scénarios (différents contextes politiques et économiques) et la réalisation des analyses de sensibilité sur les frontières du système pour mettre en évidence les limites du modèle utilisé. / Life Cycle Assessment (LCA) has been used in legislative texts in Europe and in the United States to quantify the benefits of biofuel production in terms of greenhouse gas (GHG) emissions reductions and energy security. In this thesis, we propose two independent approaches to investigate the compliance of advanced biofuels (cellulosic ethanol, Biomass to liquids - BTL, microalgae FAME/HVO) production with these objectives. The first one is a meta- analysis (literature synthesis) of LCA studies concerning advanced biofuels. Using econometric methods, we are able to identify and quantify the main factors impacting GHG emission LCA results. Also, we estimate a confidence interval for these results for each type of advanced biofuel in question. The second part of this work is a consequential and prospective LCA illustrated by a case study about the introduction of BTL technology in France. A long-term TIMES-type energy model was adapted for environmental evaluations in order to capture impacts occurring in affected systems through economic mechanisms. We contribute, with this work, for a proper systematization of consequential and prospective LCA. We discuss the functional unit and system boundaries definitions, the use of dynamic impact characterization factors, the use of scenarios (different political and economical contexts) and the exploration of the system's boundaries to bring attention to the limits of the model employed.

La vitesse de flamme laminaire représente une grandeur physique clé à mesurer car elle permet d'obtenir des données fondamentales sur la réactivité, la diffusivité et l'exothermicité du carburant. Elle est également un des paramètres utilisés pour le développement et la validation des mécanismes réactionnels détaillés ainsi que pour la modélisation de la combustion turbulente. Bien que cette grandeur physique ait fait l'objet de nombreuses études expérimentales depuis plusieurs décennies, sa méconnaissance sur des carburants multi-composant dans des conditions haute-pression et haute-température similaires à celles existantes dans les chambres de combustion reste un sujet d'actualité pour les industriels des secteurs automobile et aéronautique. Au cours de cette thèse, un brûleur de configuration bec Bunsen fonctionnant avec un prémélange gazeux combustible/air a été conçu pour produire une flamme laminaire à pression élevée tout en permettant la mesure par voie optique de la vitesse de flamme laminaire de carburants multi-composant (kérosène, biocarburants de seconde génération...). La mesure est basée sur la détection du contour de flamme par diverses diagnostics optiques comme la chimiluminescence OH*, la PLIF-OH et la PLIF-acétone/aromatique. En premier lieu, les mélanges de carburants purs gazeux (CH4) ou liquide (acétone) avec de l'air ont été étudiés pour valider le brûleur expérimental et la méthodologie de mesure de la vitesse de flamme laminaire par voie optique. Les évolutions de la vitesse de flamme laminaire pour des carburants de type kérosène (composants purs, surrogate LUCHE et Jet A-1) en fonction de la pression, température de préchauffage et richesse ont été ensuite étudiées et comparées avec des simulations numériques utilisant un mécanisme réactionnel détaillé. La dernière partie de la thèse est consacrée à l'étude de l'influence des composés oxygénés présents dans un biocarburant de seconde génération de type d'essence sur la vitesse de flamme laminaire. Après avoir mesuré la vitesse de flamme laminaire de différentes molécules oxygénées, les effets d'addition de ces composés oxygénés dans le carburant ont été quantifiés / Laminar flame speed is one of the key parameters for understanding reactivity, diffusivity and exothermicity of fuels. It is also useful to validate both the kinetic chemical mechanisms as well as turbulent models. Although laminar flame speeds of many types of fuels have been investigated over many decades using various combustion methodologies, accurate measurements of laminar flame speeds of multicomponent liquid fuels in high-pressure and high-temperature conditions similar to the operating conditions encountered in aircraft/automobile combustion engines are still required. In this current study, a high-pressure combustion chamber was specifically developed to measure the laminar flame speed of multicomponent liquid fuels such as kerosene and second generation of biofuels. The architecture of the burner is based on a preheated premixed Bunsen flame burner operated in elevated pressure and temperature conditions. The optical diagnostics used to measure the laminar flame speed are based on the detection of the flame contour by using OH* chemiluminescence, OH- and acetone/aromatic- Planar laser induced fluorescence (PLIF). The laminar flame speed of gaseous CH4/air and acetone/air premixed laminar flames were first measured for validating the experimental setup and the measurement methodologies. Then, the laminar flame speeds of kerosene or surrogate fuels (neat kerosene compounds, LUCHE surrogate kerosene and Jet A-1) were investigated and compared with simulation results using detailed kinetic mechanisms over a large range of conditions including pressure, temperature and equivalence ratio. The last part of the thesis was devoted to study the effect of oxygenated compounds contained in the second generation of biofuels on the laminar flame speeds. After measuring the laminar flame speeds of various oxygenated components present in partially hydro-processed lignocellulosic biomass pyrolysis oils, the effect of these oxygenates on the flame speeds of these fuels were quantitatively investigated

Résumé : Les résultats alarmants du Groupe d’Experts Intergouvernemental sur l’Évolution du Climat (GIEC) et la tenue des sommets chaque année sur le réchauffement climatique poussent de nombreux pays à prendre la chose au sérieux (notre-planète.info, 2015). C’est ainsi que le Mali, pays enclavé et importateur net de produits pétroliers, cherche des moyens non seulement pour emboiter le pas à la communauté internationale sur la protection de l’environnement mais aussi à mieux gérer sa politique énergétique. Cette volonté repose sur le développement des biocarburants grâce au jatropha qui se cultive aussi bien sur des sols semi-arides que fertiles. Depuis plusieurs décennies les biocarburants font l’objet de recherches. Certaines études permettent de conclure que leur utilisation réduirait les émissions de GES tandis que d’autres vont plus loin au-delà du cadre écologique et trouvent que c’est une source de rentabilité économique. Pour mieux illustrer ses effets, nous avons utilisé un modèle d’équilibre général calculable dynamique (MEGCD) qui permet de voir les interactions des variables structurelles de l’économie malienne sur une durée de 4 ans. Les résultats montrent qu’une politique protectionniste du secteur des biocarburants jumelée à une politique d’exploitation accrue du jatropha à partir des terres non occupées au Mali, génèrent plus d’activité dans le pays et permet de réduire les importations de carburant. De même, la croissance dans le secteur de l’énergie permet d’augmenter la production en électricité dans le pays. / Abstract : The alarming results of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) and the summits annually on global warming are pushing many countries to take it seriously (notre-planète.info, 2015). In this way Mali, landlocked and importing country of fuel, take measure to join in international community on protection of environment also to manage better his energetic policy. This determination is based on the development of biofuels through jatropha which both grown on semi-arid soils fertile. Many searchers are worked on the advantages and disadvantages to Jatropha compared to diesel and fund that his useful reduced greenhouse gas emission while others go further beyond the ecological environment and find it a source of economic profitability. We use a dynamic calculable general equilibrium model (DCGEM) to illustrate relations between all structural variables of economy Malian on four years. We find that a biofuel protectionist policy combined with an increased operating policy jatropha from idle land in Mali, generate more activity and reduces fuel imports. Similarly, growth in the energy sector can increase electricity production in the country.

Les défis conjoints du changement climatique d'origine anthropique et la diminution des réserves de combustibles fossiles sont le moteur de recherche intense pour des sources d'énergie alternatives. Une avenue attrayante est d'utiliser un processus biologique pour produire un biocarburant. Parmi les différentes options en matière de biocarburants, le bio-hydrogène gazeux est un futur vecteur énergétique attrayant en raison de son efficacité potentiellement plus élevé de conversion de puissance utilisable, il est faible en génération inexistante de polluants et de haute densité d'énergie. Cependant, les faibles rendements et taux de production ont été les principaux obstacles à l'application pratique des technologies de bio-hydrogène. Des recherches intensives sur bio-hydrogène sont en cours, et dans les dernières années, plusieurs nouvelles approches ont été proposées et étudiées pour dépasser ces inconvénients. À cette fin, l'objectif principal de cette thèse était d'améliorer le rendement en hydrogène moléculaire avec un accent particulier sur l'ingénierie métabolique et l’utilisation de bioprocédés à variables indépendantes. Une de nos hypothèses était que la production d’hydrogène pourrait être améliorée et rendue plus économiquement viable par ingénierie métabolique de souches d’Escherichia coli producteurs d’hydrogène en utilisant le glucose ainsi que diverses autres sources de carbone, y compris les pentoses. Les effets du pH, de la température et de sources de carbone ont été étudiés. La production maximale d'hydrogène a été obtenue à partir de glucose, à un pH initial de 6.5 et une température de 35°C. Les études de cinétiques de croissance ont montré que la μmax était 0.0495 h-1 avec un Ks de 0.0274 g L-1 lorsque le glucose est la seule source de carbone en milieu minimal M9. .Parmi les nombreux sucres et les dérivés de sucres testés, les rendements les plus élevés d'hydrogène sont avec du fructose, sorbitol et D-glucose; 1.27, 1.46 et 1.51 mol H2 mol-1 de substrat, respectivement. En outre, pour obtenir les interactions entre les variables importantes et pour atteindre une production maximale d'hydrogène, un design 3K factoriel complet Box-Behnken et la méthodologie de réponse de surface (RSM) ont été employées pour la conception expérimentale et l'analyse de la souche d'Escherichia coli DJT135. Le rendement en hydrogène molaire maximale de 1.69 mol H2 mol-1 de glucose a été obtenu dans les conditions optimales de 75 mM de glucose, à 35°C et un pH de 6.5. Ainsi, la RSM avec un design Box-Behken était un outil statistique utile pour atteindre des rendements plus élevés d'hydrogène molaires par des organismes modifiés génétiquement. Ensuite, l'expression hétérologue de l’hydrogénases soluble [Ni-Fe] de Ralstonia eutropha H16 (l'hydrogénase SH) a tenté de démontrer que la mise en place d'une voie capable de dériver l'hydrogène à partir de NADH pourrait surpasser le rendement stoechiométrique en hydrogène.. L’expression a été démontrée par des tests in vitro de l'activité enzymatique. Par ailleurs, l'expression de SH a restaurée la croissance en anaérobie de souches mutantes pour adhE, normalement inhibées en raison de l'incapacité de réoxyder le NADH. La mesure de la production d'hydrogène in vivo a montré que plusieurs souches modifiées métaboliquement sont capables d'utiliser l'hydrogénase SH pour dériver deux moles d’hydrogène par mole de glucose consommé, proche du maximum théorique. Une autre stratégie a montré que le glycérol brut pourrait être converti en hydrogène par photofermentation utilisant Rhodopseudomonas palustris par photofermentation. Les effets de la source d'azote et de différentes concentrations de glycérol brut sur ce processus ont été évalués. À 20 mM de glycérol, 4 mM glutamate, 6.1 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus dans des conditions optimales, un rendement de 87% de la théorie, et significativement plus élevés que ce qui a été réalisé auparavant. En prolongement de cette étude, l'optimisation des paramètres a également été utilisée. Dans des conditions optimales, une intensité lumineuse de 175 W/m2, 30 mM glycérol et 4.5 mM de glutamate, 6.69 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus, soit un rendement de 96% de la valeur théorique. La détermination de l'activité de la nitrogénase et ses niveaux d'expression ont montré qu'il y avait relativement peu de variation de la quantité de nitrogénase avec le changement des variables alors que l'activité de la nitrogénase variait considérablement, avec une activité maximale (228 nmol de C2H4/ml/min) au point central optimal. Dans la dernière section, la production d'hydrogène à partir du glucose via la photofermentation en une seule étape a été examinée avec la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-). La méthodologie de surface de réponse avec Box-Behnken a été utilisée pour optimiser les variables expérimentales de façon indépendante, soit la concentration de glucose, la concentration du glutamate et l'intensité lumineuse, ainsi que d'examiner leurs effets interactifs pour la maximisation du rendement en hydrogène moléculaire. Dans des conditions optimales, avec une intensité lumineuse de 175 W/m2, 35 mM de glucose, et 4.5 mM de glutamate,, un rendement maximal d'hydrogène de 5.5 (± 0.15) mol hydrogène /mol glucose, et un maximum d'activité de la nitrogénase de 246 (± 3.5) nmol C2H4/ml/min ont été obtenus. L'analyse densitométrique de l'expression de la protéine-Fe nitrogenase dans les différentes conditions a montré une variation significative de l'expression protéique avec un maximum au point central optimisé. Même dans des conditions optimales pour la production d'hydrogène, une fraction significative de la protéine Fe a été trouvée dans l'état ADP-ribosylée, suggérant que d'autres améliorations des rendements pourraient être possibles. À cette fin, un mutant amtB dérivé de Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-) a été créé en utilisant le vecteur de suicide pSUP202. Les résultats expérimentaux préliminaires montrent que la souche nouvellement conçue métaboliquement, R. capsulatus DG9, produit 8.2 (± 0.06) mol hydrogène / mole de glucose dans des conditions optimales de cultures discontinues (intensité lumineuse, 175 W/m2, 35 mM de glucose et 4.5 mM glutamate). Le statut d'ADP-ribosylation de la nitrogénase-protéine Fe a été obtenu par Western Blot pour la souche R. capsulatus DG9. En bref, la production d'hydrogène est limitée par une barrière métabolique. La principale barrière métabolique est due au manque d'outils moléculaires possibles pour atteindre ou dépasser le rendement stochiométrique en bio-hydrogène depuis les dernières décennies en utilisant les microbes. À cette fin, une nouvelle approche d’ingénierie métabolique semble très prometteuse pour surmonter cette contrainte vers l'industrialisation et s'assurer de la faisabilité de la technologie de la production d'hydrogène. Dans la présente étude, il a été démontré que l’ingénierie métabolique de bactéries anaérobiques facultatives (Escherichia coli) et de bactéries anaérobiques photosynthétiques (Rhodobacter capsulatus et Rhodopseudomonas palustris) peuvent produire de l'hydrogène en tant que produit majeur à travers le mode de fermentation par redirection métabolique vers la production d'énergie potentielle. D'autre part, la méthodologie de surface de réponse utilisée dans cette étude représente un outil potentiel pour optimiser la production d'hydrogène en générant des informations appropriées concernant la corrélation entre les variables et des producteurs de bio-de hydrogène modifiés par ingénierie métabolique. Ainsi, un outil d'optimisation des paramètres représente une nouvelle avenue pour faire un pont entre le laboratoire et la production d'hydrogène à l'échelle industrielle en fournissant un modèle mathématique potentiel pour intensifier la production de bio-hydrogène. Par conséquent, il a été clairement mis en évidence dans ce projet que l'effort combiné de l'ingénierie métabolique et la méthodologie de surface de réponse peut rendre la technologie de production de bio-hydrogène potentiellement possible vers sa commercialisation dans un avenir rapproché. / The joint challenges of anthropogenic climate change and dwindling fossil fuel reserves are driving intense research into alternative energy sources. One attractive avenue is to use a biological process to produce a biofuel. Among the various biofuel options, biohydrogen gas is an attractive future energy carrier due to its potentially higher efficiency of conversion to usable power, low to non-existent generation of pollutants and high energy density. However, low yields and production rates have been major barriers to the practical application of biohydrogen technologies. Intensive research on biohydrogen is underway, and in the last few years several novel approaches have been proposed and studied to surpass these drawbacks. To this end the main aim of this thesis was to improve the molar hydrogen yield with special emphasis of metabolic engineering using the interactive effect with bioprocess independent variable. One investigated hypothesis was that H2 production could be improved and made more economically viable by metabolic engineering on the facultative hydrogen producer Escherichia coli from glucose as well as various other carbon sources, including pentoses. The effects of pH, temperature and carbon source were investigated in batch experiments. Maximal hydrogen production from glucose was obtained at an initial pH of 6.5 and temperature of 35°C. Kinetic growth studies showed that the μmax was 0.0495 h−1 with a Ks of 0.0274 g L−1 when glucose was the sole carbon source in M9 (1X) minimal medium. Among the many sugar and sugar derivatives tested, hydrogen yields were highest with fructose, sorbitol and d-glucose; 1.27, 1.46 and 1.51 mol H2 mol−1 substrate respectively. In addition, to obtain the interactions between the variables important for achieving maximum hydrogen production, a 3K full factorial Box–Behnken design and response surface methodology (RSM) were employed for experimental design and analysis on a metabolically engineered Escherichia coli strain, DJT135. A maximum molar hydrogen yield of 1.69 mol H2 mol−1 glucose was obtained under the optimal conditions of 75 mM glucose, 35°C and pH 6.5. Thus, RSM with Box–Behnken design was a useful statistical tool for achieving higher molar hydrogen yields by metabolically engineered organisms. Furthermore, the heterologous expression of the soluble [Ni-Fe] hydrogenase from Ralstonia eutropha H16 (the SH hydrogenase) was attempted to demonstrate the introduction of a pathway capable of deriving hydrogen from NADH to surpass the stoichiometric molar hydrogen yield. Successful expression was demonstrated by in vitro assay of enzyme activity. Moreover, expression of SH restored anaerobic growth on glucose to adhE strains, normally blocked for growth due to the inability to re-oxidize NADH. Measurement of in vivo hydrogen production showed that several metabolically engineered strains were capable of using the SH hydrogenase to derive 2 mol H2 per mol of glucose consumed, close to the theoretical maximum. Using another strategy, it was shown that crude glycerol could be converted to hydrogen, a possible future clean energy carrier, by photofermentation using Rhodopseudomonas palustris through photofermentation. Here, the effects of nitrogen source and different concentrations of crude glycerol on this process were assessed. At 20 mM glycerol, 4 mM glutamate, 6.1 mol hydrogen/mole of crude glycerol were obtained under optimal conditions, a yield of 87% of the theoretical, and significantly higher than what was achieved previously. As a continuation of this study, multiprocess parameter optimization was also involved. Under optimal conditions, a light intensity of 175 W/m2, 30 mM glycerol, and 4.5 mM glutamate, 6.69 mol hydrogen/mole of crude glycerol were obtained, a yield 96% of theoretical. Determination of nitrogenase activity and expression levels showed that there was relatively little variation in levels of nitrogenase protein with changes in process variables whereas nitrogenase activity varied considerably, with maximal nitrogenase activity (228 nmol of C2H4/ml/min) at the optimal central point. In the final section, hydrogen production from glucose via single-stage photofermentation was examined with the photosynthetic bacterium Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-). Response surface methodology with Box–Behnken design was used to optimize the independent experimental variables of glucose concentration, glutamate concentration and light intensity, as well as examining their interactive effects for maximization of molar hydrogen yield. Under optimal condition with a light intensity of 175 W/m2, 35 mM glucose, and 4.5 mM glutamate, a maximum hydrogen yield of 5.5 (±0.15) mol H2/mol glucose, and a maximum nitrogenase activity of 246 (±3.5) nmol C2H4/ml/min were obtained. Densitometric analysis of nitrogenase Fe-protein expression under different conditions showed significant variation in Fe-protein expression with a maximum at the optimized central point. Even under optimum conditions for hydrogen production, a significant fraction of the Fe-protein was found in the ADP-ribosylated state, suggesting that further improvement in yields might be possible. To this end an AmtB- derivative of Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-) was created by conjugating in amtB::Km using the suicide vector pSUP202. Preliminary experimental results showed that the newly metabolically engineered strain, R. capsulatus DG9, produced 8.2 (±0.06) mol hydrogen/mole of glucose under optimal conditions in batch cultures (light intensity, 175 W/m2; 35 mM glucose, and 4.5 mM glutamate). Western blot analyses of the ADP-ribosylation status of the nitrogenase Fe-protein were investigated on metabolically engineered strain R. capsulatus DG9. In brief, the progress on hydrogen production technology has been limited due to the metabolic barrier. The major metabolic barrier is due to lacking of potential consistent molecular tools to reach or surpass the stochiometric biohydrogen yield since last decades using microbes. To this end a novel approach “metabolic engineering” seems very promising to overcome this constraint towards industrialization to ensure the feasibility of hydrogen production technology. In this present study it has been shown that metabolically engineered facultative (Escherichia coli) anaerobe and photosynthetic bacteria (Rhodobacter capsulatus and Rhodopseudomonas palustris) can produce hydrogen as a major product through fermentative mode by metabolic redirection toward potential energy generation. On the other hand, response surface methodology has depicted in this study as another potential tool to statistically optimize the hydrogen production by generating suitable information concerning interactive correlation between process variables and metabolically engineered biohydrogen producers. Thus, multi process parameter optimization tool has been creating a novel avenue to make a crosslink between lab scale and pilot scale hydrogen production by providing potential mathematical model for scaling up biohydrogen production using metabolically engineered biohydrogen producers. Therefore, it has been clearly revealed in this project that combined effort of metabolic engineering and response surface methodology can make biohydrogen production technology potentially feasible towards its commercialization in near future.

L’analyse de cycle de vie (ACV), telle qu’elle est pratiquée aujourd’hui, peut conduire à des résultats biaisés. L’utilisation de cet outil s’avère particulièrement sensible dans des cadres réglementaires. En effet, au lieu d’inciter les entreprises à réduire leurs impacts sur l’environnement, les certifications obtenues à partir des ACV risquent de produire un effet contraire : comme elles tendent à récompenser des moyennes industrielles plutôt que les résultats propres aux entreprises, elles peuvent détruire toute incitation pour ces dernières à agir correctement sur le plan environnemental. Dans cette thèse nous proposons des éléments de réflexion en matière de gestion pouvant être utiles à l’évolution de l’ACV à partir d’une étude de cas sur l’évaluation de la soutenabilité d’une filière biodiesel issu d’huile de palme brésilienne dans le cadre de la Directive EnR. Trois principaux résultats émergent de ce travail doctoral. Le premier se rapporte à la réflexion que nous menons sur l’évaluation de la durabilité imposée par la Directive EnR. Le deuxième renvoie aux réponses concrètes sur l’évaluation de la filière biodiesel évaluée à l’égard de la Directive, notamment par rapport aux émissions de gaz à effet de serre. Le troisième résultat concerne l’identification des besoins latents en matière d’évaluation de qualité des données d’ACV / Life cycle analysis (LCA), as it is currently applied, can lead to biased results. The use of LCA information is particularly sensitive when taken in the context of government regulatory frameworks. Indeed, instead of encouraging companies to reduce their impact on the environment, certifications obtained through LCA studies may produce the opposite effect: as they tend to reward industry averages rather than enterprise-specific results they can destroy all incentive for companies to reduce their environmental impacts. In this thesis we propose an in-depth analysis of management aspects in LCA and discuss how they could contribute to produce good quality LCA studies. For this, a case study was conducted on the sustainability evaluation of a biodiesel produced from Brazilian palm oil within the framework of the Renewable Energy Directive (RED). Three main findings emerge from this doctoral work. The first refers to the analysis of the sustainability evaluation required by RED with a particular emphasis on its application to the Brazilian context of palm oil production. The second refers to the concrete answers produced from the biodiesel evaluated, particularly with respect to greenhouse gas emissions. The third result concerns the identification of latent needs in terms of LCA data quality assessment