Bachelor-Arbeit Univ. St. Gallen, 2005.

Universiẗat, Diss., 2007--Kassel.

Universiẗat, Univ., Diss., 2003--Jena.

Universiẗat, Diss., 2005--Stuttgart.

Universiẗat, Diss., 2005--Kassel.

Th. doct.-ing.--génie chim.--Nancy--I.N.P.L., 1982.

Ce travail de thèse porte sur l’élaboration d’un modèle prédictif de la croissance d’une microalgue eucaryote en photobioréacteur, basé sur une analyse du métabolisme de croissance de l’algue verte modèle Chlamydomonas reinhardtii en conditions photoautotrophes. Le modèle proposé appartient à la famille des modèles biochimiquement structurés. Outre la détermination prédictive des rendements de conversion des substrats en produits assurée par la représentation du métabolisme énergétique cellulaire, le modèle permet de décrire le comportement dynamique des microalgues en photobioréacteurs, en incluant l’adaptation de la teneur en pigments aux conditions de lumière fluctuantes, pour une large plage de conditions opératoires. Le modèle a été identifié et validé sur une base de données expérimentales obtenues pour des cultures continues et discontinues, élaborée dans le cadre de ce travail de thèse, comportant des mesures intra- et extracellulaires. Cette modélisation du comportement d’une microalgue eucaryote en photobioréacteur a été étendue à une description de la phase abiotique du bioréacteur, reposant sur une analyse et une caractérisation du transfert de matière gaz-liquide (O2 / CO2) dans les conditions étudiées. Cette modélisation de la phase abiotique a conduit au développement d’un estimateur de la concentration en biomasse basé sur la mesure de la vitesse nette de production d’oxygène. Cet outil a été validé expérimentalement, et a servi au suivi de cultures en temps réel, ainsi qu’au pilotage d’un photobioréateur en mode turbidostat. / The present work deals with the elaboration of a predictive model for the growth of eukaryotic microalgae in photobioreactors, built on an analysis of the growth metabolism of the model green alga Chlamydomonas reinhardtii in photoautotrophic conditions. The proposed model belongs to the family of biochemically-based structured models. Besides a comprehensive representation of the conversion yields of substrates into products based on the description of cellular energetic metabolism, the model allows to predict the dynamic behaviour of microalgae growth in photobioreactors for a wide range of operating conditions, including pigment adaptation to fluctuating light conditions. The model has been identified and validated on an experimental dataset obtained for continuous and batch cultures carried out as part of the PhD, including intraand extracellular measurements. Modelling of microalgal growth behaviour in photobioreactors has been extended to a description of the reactor abiotic phase, relying on the analysis and characterization of gas-liquid mass transfer (O2 / CO2) under the conditions of the study. The abiotic phase modelling has led to the development of a biomass concentration estimator based on the measurement of the net oxygen production rate. This tool has been validated experimentally and has been applied to the real-time monitoring of cultures, as well as the control of a photobioreactor in turbidostat mode.

L’industrie papetière est l’un des principaux moteurs économiques du Québec. A l’heure actuelle, la production de pâte et papier connait des difficultés liées à l’émergence des pays en voie de développement, de leurs faibles coûts de main d’oeuvre et du climat propice à la croissance rapide de biomasse. Elle se doit d’innover ou du moins de s’ouvrir à de nouvelles avenues et perspectives afin de rechercher d’autres sources de revenus. Ce projet s’intéresse à la valorisation des déchets produits par l’industrie de pâte et papier lors du processus de désencrage, et plus précisément à valoriser les fibres cellulosiques résiduelles. Comme son nom l’indique, le désencrage consiste à retirer l’encre du papier, approche reposant sur plusieurs opérations unitaires telles que le pulpage, le classage, l’épuration, la flottation, et le lavage. Lors des différentes opérations, de la matière cellulosique est perdue, ces fibres se retrouvent dans les boues de désencrage. Ces dernières sont composées à 25% massique de fibres organiques, en grande majorité cellulosiques, à 25% de carbonate de calcium et 50% d’humidité. La siccité est un point important à considérer lors de l’analyse économique. En effet, le transport de matériaux trop humides peut remettre en cause la rentabilité d’un procédé. Ces recherches ciblent la valorisation des fibres cellulosiques. La présence de carbonate de calcium en grande quantité dans les boues suggère l’utilisation d’une catalyse basique afin d’éviter les interférences. Contrairement à la dépolymérisation acide de la cellulose, la dépolymérisation en milieu basique n’a pas apporté des résultats aussi prometteurs et la conversion de la cellulose n’est pas complète. En effet, la structure cellulosique n’est que peu sensible à la catalyse basique et une partie de la cellulose demeure sous forme oligomérique après réaction. Les résultats ont démontré que la transformation de la cellulose avec un catalyseur basique nécessite une température au-delà de 200ºC afin d’obtenir une conversion significative. L’acide lactique (AL) est le produit final du procédé, il provient de la transformation de la cellulose en milieu basique. De plus, le marché de l’acide lactique est en pleine expansion, dû à l’essor des acides polylactiques ou en anglais« polylacticacid » (PLA) dont le potentiel en tant que polymère biodégradable suscite un grand intérêt industriel. L’acide lactique est également une molécule plateforme qui trouve des utilisations dans de nombreuses industries (pharmaceutique, adhésifs). Ce mémoire présente une revue complète des transformations de la cellulose vers l’acide lactique et en détaille les mécanismes réactionnels. Plusieurs réactions sont favorisées par un cation divalent ce qui influencera le choix du catalyseur. Les principales avancées sur la transformation de sucres (hexoses et trioses) vers l’acide lactique sont résumées. Premièrement l’étude modèle à partir du glucose, deuxièmement la réaction ayant pour substrat la cellulose et troisièmement l’application directement sur les boues issues du procédé de désencrage de la compagnie Cascades. Les résultats obtenus montrent que l’hydroxyde de calcium est un catalyseur sélectif pour le produit d’intérêt, après avoir obtenu des rendements de 50% et 25% respectivement avec le glucose et la cellulose. Le catalyseur a été utilisé sur les boues de désencrage. Les rendements obtenus sont similaire à ceux avec la cellulose, démontrant que l’effet de la matrice des boues de désencrage (sels, métaux lourds) n’est que minime sur la réaction avec le catalyseur choisi. Le modèle d’une unité de purification par distillation a été mise en place.

La biomasse lignocellulosique en Malaisie peut être considérée comme l'une des sources d'énergie renouvelable prometteuse. Elle est principalement composée de cellulose, d'hémicellulose et de lignine et est adaptée pour des applications dans les domaines de l'énergie et de la chimie en raison de sa disponibilité suffisante, de son faible coût et de son caractère renouvelable. La production de biomasse lignocellulosique en Malaisie est considérée comme élevée et est issue en grande partie de l'industrie de l'huile de palme (environ 60 millions de tonnes de déchets d'huile de palme sont générés en un an). Les déchets de l’industrie de l'huile de palme pourraient être utilisés comme ressources alternatives pour la production de papier et de carton. Cependant, dans ce contexte, d'énormes quantités de lignine seraient rejetées (par l'industrie des pâtes et papier) en raison du manque de prise de conscience de son potentiel. Avec une teneur élevée en groupes fonctionnels divers (-OH phénoliques et aliphatiques, les carbonyles, les carboxyles, etc.), la lignine pourrait être utilisée en substitution de produits actuels dans des applications industrielles telles que l'inhibition de la corrosion des métaux et alliages. Les frondes de palmier à huile (OPF) étant l'un des plus gros contributeurs de déchets de biomasse en Malaisie, elles ont donc été utilisées comme matière première dans cette étude. Afin d'améliorer l'extractabilité de la lignine et ses propriétés, l'extraction a été effectuée de différentes façons (par délignification directe et / ou des méthodes de pré-traitement combiné). Cependant, la forte hydrophobicité de la lignine limite sa capacité à agir comme inhibiteur de corrosion efficace. Par conséquent, des modifications de la structure de la lignine OPF ont été effectuées de deux manières ; (1) en incorporant des piégeurs de recondensation de la lignine (2-naphtol et 1,8-dihydroxyanthraquinone) pendant le prétraitement par autohydrolyse avant le traitement organosolv (pourcentage de rendement de la lignine: AHN EOL = 13,42 ± 0,71% et AHD EOL = 9,64 ± 0,84%) et (2) le fractionnement de la lignine à partir de procédés de délignification directs (Kraft, à la soude et organosolv) par l'intermédiaire d'une technique d'ultrafiltration à membrane (rendement en pourcentage de fractions de lignine perméat: Kraft = 5,41 ± 2,04%; soude = 12,29 ± 0,54% et organosolv = 1,48 ± 0,15%). Les propriétés physiques et chimiques des lignines modifiées ont été évaluées en utilisant l'infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), la résonance magnétique nucléaire (RMN), chromatographie par perméation de gel (GPC), l'analyse thermique et la Chromatographie liquide à haute performance (HPLC). Des fractions de lignine modifiée présentant des teneurs en OH phénoliques élevées, des poids moléculaires, polydispersité et contenus en OH aliphatiques faibles ont abouti à des valeurs plus élevées de l'activité antioxydante. L'activité antioxydante semble être dépendante de la teneur en OH phénolique et en ortho-méthoxyle, grâce à la stabilité du radical formé et la capacité de réduire les ions Fe3+ en Fe2+ ions. En effet, les propriétés physico-chimiques améliorées et une activité anti-oxydante de lignine modifiée a donné une corrélation positive avec l'inhibition de la corrosion de l'acier doux dans l'action solution de HCl 0,5 M qui a été évaluée par spectroscopie d'impédance électrochimique (SIE), de polarisation et de la perte de poids mesure potentiodynamique. La meilleure efficacité de pourcentage d'inhibition (ex: 81 à 90%) a été obtenu à la concentration de 500 ppm pour les inhibiteurs de la lignine, mais a diminué avec l'augmentation de la température (303 à 333 K). Les données thermodynamiques indiquent que l'adsorption de la lignine modifiée sur l'acier doux a été spontanée et que les inhibiteurs ont été principalement adsorbés physiquement (physisorption), ce résultat étant confirmé par l'énergie d'activation de l'adsorption, Ea. [...] / Lignocellulosic biomass in Malaysia can be considered as one of the promising sources of renewable energy. It is mainly composed of cellulose, hemicellulose, and lignin and best-suited for energy and chemical applications due to its sufficient availability, inexpensive and is sustainable. In general, the production of lignocellulosic biomass in Malaysia was considered high and mainly derived from the palm oil industries (approximately 60 million tonnes of oil palm waste were generated in a year). The oil palm biomass waste could possibly be used as alternative resources for the production of paper and cardboard. However, massive amounts of lignin by-product could also be discarded in huge quantities (by the pulp and paper industry) due to lack of awareness on its potential. Having high content of diverse functional groups (phenolic and aliphatic –OH, carbonyls, carboxyls, etc.) and phenylpropanoid structure, lignin can lead to substitutes in industrial applications such as in corrosion inhibition of metals and alloys. Since the oil palm fronds (OPF) are one of the largest biomass waste contributors in Malaysia, it was therefore used as raw material in this study. In order to improve the lignin extractability and properties, the extraction was conducted in different ways (via direct delignification and/or combined pretreatment methods). Due to the high hydrophobicity of lignin, it limits the capability to act as efficient corrosion inhibitors. Hence, modifications of the OPF lignin structure were conducted in two ways; (1) by incorporating organic scavengers (2-naphthol and 1,8-dihydroxyanthraquinone) during autohydrolysis pretreatment before organosolv treatment (percentage yield of lignin: AHN EOL = 13.42±0.71 % and AHD EOL = 9.64±0.84 %) and (2) fractionation of lignin from direct delignification processes (Kraft, soda and organosolv) via ultrafiltration membrane technique (percentage yield of permeate lignin fractions: Kraft = 5.41±2.04 %; soda = 12.29±0.54 % and organosolv = 1.48±0.15 %). The physical and chemical properties of the modified lignins were evaluated by using Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy, nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, gel permeation chromatography (GPC), thermal analysis and high performance liquid chromatography (HPLC). Modified lignin fractions with higher phenolic –OH content but lower molecular weight, polydispersity as well as aliphatic –OH content resulted in higher values of antioxidant activities. The antioxidant activity seems be dependent on the increase of their free phenolic –OH and ortho-methoxyl content, through the stability of the radical formed and the ability to reduce Fe3+ ions to Fe2+ ions. Indeed, the improved physicochemical properties and antioxidant activity of modified lignin gave positive correlation with the mild steel corrosion inhibition action in 0.5 M HCl solution that were evaluated by electrochemical impedance spectroscopy (EIS), potentiodynamic polarization and weight loss measurements. The best percentage of inhibition efficiencies (IE: 81 – 90 %) were attained at the concentration of 500 ppm for all lignin inhibitors but decreased with the increase in temperature (303 – 333 K). Thermodynamic data indicated that the adsorption of the modified lignin onto the mild steel was spontaneous and the inhibitors were mainly physically adsorbed (physiosorption), supported by the activation energy of adsorption, Ea. The enhanced protective properties of the modified lignin will pave way for an alternative approach for the utilization of these natural waste materials

Cette thèse est dédiée à l'élaboration de matériaux poreux par polymérisation d'émulsion concentrées à partir de polymères issus de la biomasse. La méthodologie polyHIPE a été adaptée pour mettre en œuvre un sous-produit de l'industrie papetière : la liqueur noire Kraft. Des matériaux poreux et possédant une structure interne modulable par les paramètres d'émulsification, ont été obtenus. / This project is dedicated to the synthesis of porous materials from biopolymers via an emulsion-templated polymerisation. The polyHIPE synthesis was adaptated to the physico-chemical properties of the main by-product of the paper industry : the Kraft black liquor. Porous material was obtained and their morphological caracteristics can be modulated through the emulsification parameters.