Th. doct.-ing.--Nancy, I.N.P.L., 1979.

Th. 3e cycle--Sci. et tech. des procédés chim.--Toulouse 3, 1980. N°: 2378.

La carbonylation du méthanol pour fabriquer de l'acide acétique est probablement l'un des procédés de catalyse homogène les plus utilisés par l'industrie chimique. La production d'acide acétique atteint aujourd'hui plus de 8 millions de tonnes par an et celui‐ci est majoritairement utilisé comme point de départ de la production de monomère d'acétate de vinyle, d'anhydride acétique ou dans la purification d'acide téréphtlique. La demande mondiale en acide acétique, qui admet une croissance annuelle régulière de 2,4 % a conduit de nombreux laboratoires, publics comme privés, à développer un procédé qui soit peu gourmand en énergie (basse pression et basse température) ainsi que sélectif. En 1960, la compagnie BASF a mis au point un procédé utilisant à 680 bar du cobalt en présence d'un promoteur iodé comme catalyseur, qui a été supplanté peu de temps après par un système utilisant le complexe de rhodium [RhI2(CO)2] comme catalyseur, développé par la compagnie Monsanto. La société Celanese a nettement amélioré ce dernier procédé en ajoutant de grandes quantités d'iodure de lithium (Lil), abaissant ainsi la teneur en eau nécessare de 14% à 4% . Cette réduction significative de la teneur en eau a conduit à un gain d'énergie considérable utilisée pour la séparation de l'eau et de l'acide acétique. En 1996, la compgnie BP Chemical a proposé un nouveau procédé à basse teneur en eau basé sur un catalyseur d'iridium en présence d'un complexe du ruthénium comme co‐catalyseur, connu sous le nom de procédé Cativa®. Nous analysons dans ce mémoire l'effet positif du complexe du rhodium [RhI(CO)2]2 sur l'étape déterminante du cycle catalytique de l'iridium qui intervient dans la carbonylation du méthanol en acide acétique. Des analyses en RMN sous pression de monoxyde de carbone nous apportent des informations tant sur le rôle de l'eau que celui du sel Lil sur l'étape d'élimination réductrice, étape ultime du cycle catalytique du rhodium. Une étude cinétique, effectuée en spectrométrie infra‐rouge, nous permet de mettre en avant l'importance que joue l'anion acétate sur cette dernière étape et de proposer l'utilisation d'un co‐catalyseur organométallique, évitant ainsi l'ajout d'iodure de lithium dans le procédé Celanese à basse teneur en eau.

Un bioréacteur à lit fluidisé a été utilisé pour étudier la production d'acides gras lors de la biodégradation anaérobie du perméat de lactosérum. Pour optimiser ce type de traitement, les paramètres suivants ont également été suivis : Les concentrations en sucre sont étudiées afin de connaître l'efficacité de biodégradation du système lors de la croissance du biofilm. En augmentant la concentration en sucre à l'alimentation de 5 à 30 g/L, il y a augmentation de l'efficacité à dégrader l'effluent passant de 10 à 21% (Entrée vs Sortie) correspondant à un biofilm de plus en plus mature. Les acides gras retrouvés sont l'acide acétique, l'acide propionique, l'acide iso-butyrique ainsi que l'acide n-butyrique. Ce dernier est le principal produit recueilli au point d'échantillon de la sortie composant ce mélange, en moyenne à 75%, correspondant à ce que l'on doit obtenir lors d'une fermentation acide. En général, l'acide acétique est le principal produit au niveau du perméat brut. Sa concentration est faible à l'alimentation mais augmente aux autres points d'échantillonnage au fur et à mesure que les bactéries en produisent lors de la fermentation du perméat. Les bactéries ont été répertoriées dans le but d'évaluer dans le temps, le changement dans la composition bactérienne du biofilm à différentes concentrations en sucre à l'alimentation. Les espèces bactériennes inventoriées dans le bioréacteur sont au nombre de 15 : Pseudomonas maltophilia, P. paucimobilis, P. sp., P. fluorescens, Salmonella sp., Acinetobacter calcoaceticus var. Iwoffi, Aeromonas hydrophila/cavi?, Staphylococcus hominis, S. cohnii, S. aureus, S. simulons, Escherichia coli, Enterobacter f?cium, E. avium et une espèce filamenteuse non identifiée. L'attachement bactérien sur les grains de charbon est effectué surtout par des bactéries telles que Micrococcus. La composition bactérienne change avec les différentes concentrations en sucre, observant soit des cocci ou des bactéries filamenteuses. L'adénosine triphosphate (ATP) est dosée pour estimer la concentration bactérienne présente au niveau du lit fluidisé. L'ATP est un nucléotide présent dans toute cellule vivante, comme les bactéries, et sa quantité par cellule varie très peu pour des conditions d'équilibre donné. Au début des essais, les concentrations d'ATP sont plus élevées au niveau du lit qu'au niveau du liquide du bioréacteur, ce qui est expliqué par la formation du biofïlm sur les grains. Progressivement les concentrations d'ATP sont de plus en plus élevées au niveau des liquides. Ceci est expliqué par le vieillissement du biofilm; les bactéries mortes situées dans les couches antérieures du biofilm en se détachant vont entraîner des bactéries vivantes, ce qui augmente leur concentration dans le liquide. Le débit de biogaz produit est proportionnel à la concentration en sucre. En moyenne, 61 L de biogaz sont produits par jour composé à 3% en méthane (CH4) et à 97% en dioxyde de carbone (CO2). Aucun autre gaz n'a été détecté. Ce projet a été réalisé à l'Université du Québec à Chicoutimi en collaboration avec l'usine Nutrinor à Chambord.

La lignine est un polymère polyphénolique présent au niveau de la paroi végétale, qui forme avec la cellulose la biomasse lignocellulosique. Cette dernière est impliquée dans de nombreux processus industriels (biocarburant, pâte à papier, etc.). Une meilleure compréhension de sa biosynthèse est donc nécessaire pour améliorer la valorisation de la biomasse. La lignine est composée de trois principaux monomères appelés monolignols (H, G et S) qui sont assemblés par un couplage radicalaire initié par des laccases et/ou peroxydases lors de la lignification. L’émergence récente de la stratégie du rapporteur chimique bioorthogonal apparait comme une technique idéale pour étudier les processus de lignification. Dans cette stratégie, un analogue de la biomolécule d’intérêt modifié avec une étiquette chimique biocompatible est incorporé dans la biomacromolécule cible via les voies métaboliques. Il est ensuite couplé à une sonde grâce à une réaction chimique bioorthogonale pour être détecté. Ces travaux de thèse présentent le développement d’outils chimiques basés sur la stratégie du rapporteur chimique afin d’étudier les processus de lignification. Une stratégie inédite de triple marquage a été mise au point pour étudier la dynamique de lignification dans la paroi végétale par microscopie confocale de fluorescence. Des analogues portant des groupements méthylcyclopropène, azoture, et alcyne ont été conçus pour chaque monolignol (S, H et G respectivement) et ont été incorporés simultanément dans la lignine de novo. Ces analogues ont ensuite été liés sélectivement à un fluorophore par des réactions de ligation bioorthogonale spécifiques lors d’un triple marquage séquentiel (DAinv, SPAAC et CuAAC respectivement). La microscopie confocale de fluorescence a permis de visualiser leur incorporation différentielle dans la lignine et d’obtenir des informations sur la dynamique de lignification chez différents systèmes végétaux (sections de tiges et de racines, tiges entières, etc.) et chez différentes espèces végétales (lin, Arabidopsis thaliana, peuplier, etc.). De plus, le triple marquage a pu être réalisé avec deux types de biomolécules pour visualiser la biosynthèse simultanée de la lignine avec des polysaccharides non cellulosiques. Un second axe de recherche novateur a été initié afin de valider l’incorporation métabolique d’un analogue de monolignol dans les tissus végétaux et sa détection à l’aide d’une sonde radicalaire par spectroscopie de résonance paramagnétique électronique. Cette nouvelle méthodologie pourra à terme fournir des informations sur la structure, la concentration et l’environnement de la sonde incorporée détectant spécifiquement la lignine de novo. / Lignin is a phenolic polymer of plant cell wall which forms with cellulose the lignocellulosic biomass, involved in a variety of industrial applications (biofuel, paper making, etc.). A better understanding of its formation within plant cell walls is needed to improve the valorization of this biomass. Lignin is mainly composed of three monomers called monolignols (H, G and S) that are assembled by a radicalar polymerization process initiated by laccases and/or peroxydases during lignification. The recent emergence of the bioorthogonal chemical reporter strategy appears as a powerful tool to study lignification processes. In this strategy, an analogue of the biomolecule of interest modified with a biocompatible chemical tag is metabolically incorporated into the target biomacromolecule. It is then detected by fluorophore tagging initiated by a bioorthogonal chemistry reaction. The current work presents the development of chemical tools based on the chemical reporter strategy for the study of lignification process. A novel triple labeling strategy has been developed to study lignification dynamics in plant cell wall by confocal fluorescence microscopy. Analogs bearing methylcyclopropenyl-, azido-, and alkynyl tags were synthesized for each monolignol (S, H and G respectively) and incorporated into the de novo lignin. These analogs were then selectively linked to a fluorophore by a specific bioorthogonal ligation reaction during a sequential triple labeling (DAinv, SPAAC, and CuAAC respectively). Fluorescence confocal microscopy allowed visualization of their differential incorporation into lignin. It gave informations about lignification dynamics in different plant systems (stem and root cross sections, whole stems, etc.) and to various plant species (flax, Arabidopsis thaliana, poplar, etc.). In addition, this triple labeling could be done with two types of biomolecules to simultaneously monitor the biosynthesis of lignin and non-cellulosic polysaccharides. A second innovative research axis was initiated to validate the metabolic incorporation of a monolignol analog in plant tissues with its detection using a radical probe by electronic paramagnetic resonance spectroscopy. This new methodology could ultimately provide informations about the structure, concentration and environment of the incorporated probe specifically by detection of de novo lignin.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le gaz naturel et le biogaz contiennent du H2S qui doit être éliminé avant toute utilisation. Cela se fait généralement par adsorption, par la récupération de H2S et par conversion en soufre élémentaire dans des procédés de type Claus. L'oxydation sélective catalytique de H2S par O2 est une alternative, mais les catalyseurs subissent une désactivation en raison de l'accumulation d'espèces soufrées et le mélange H2S/O2 nuit à la sélectivité. De plus, cela ne peut pas être fait en présence de l'hydrocarbure pour des raisons de sécurité. Un procédé innovant d'oxydation sélective de H2S en bouclage chimique est proposé dans lequel la réaction se déroule en deux étapes : la réduction d’un solide porteur d’oxygène par H2S avec formation de S élémentaire et la régénération du porteur par O2.Il est démontré que V2O5 est une phase active prometteuse pour ce procédé. Parmi plusieurs supports testés, le TiO2 et le SiO2 s’avèrent les plus adéquats et il est montré que les matériaux de faible surface doivent être privilégiés. L'effet de la teneur en V2O5 sur le support de TiO2 est étudié et il est montré que la distribution optimale de phase active est atteinte lorsque l'équivalent de 2 monocouches de V2O5 est présent. L’étude de la réactivité de ce porteur montre qu’un équilibre optimal entre V3+, V4+ et V5+ est nécessaire. La présence d'espèces V4+ favorise la réactivité, mais seule la réduction d'espèces V5+ à V4+ est sélective, la réduction en V3+ entraînant la formation de SO2. Ce procédé est insensible à la présence de méthane, ouvrant la voie à la purification du biogaz ou du gaz naturel sans nécessiter de séparation préalable du H2S. / Natural gas and biogas resources contain H2S, which needs to be removed prior to any use. This is usually done by adsorption followed by H2S recovery and conversion through Claus type processes to produce elemental sulfur. Direct catalytic selective oxidation of the H2S to elemental sulfur is an alternative but catalysts suffer from deactivation due to accumulation of sulfur species and H2S/O2 mixing usually affects selectivity. Furthermore, it cannot be done in the presence of the hydrocarbon due to safety issues. To overcome these limitations, a Chemical Looping Selective Oxidation of H2S (CLSOSH) process is proposed in which the reaction proceeds in two steps: a “reductant step” in which H2S reduces the carrier and produces elemental S and an “oxidant step” in which the carrier is regenerated by O2. V2O5 was demonstrated that to be a promising active phase for CLSOSH. Several support materials were tested. TiO2 and SiO2 proved to be the most adequate and it was shown that low surface area materials should be privileged. The effect of V2O5 loading on TiO2 support was investigated and it was shown that optimal distribution of V2O5 is reached when the equivalent of 2 monolayers of active phase are present. Detailed analysis of the reactivity of this carrier showed that an optimal balance between V3+, V4+, and V5+ need to be found. The presence of V4+ species promote reactivity but only V5+ to V4+ species reduction should be involved to reach optimal selectivity as reduction to V3+ lead to SO2 formation. CLSOSH proved to be insensitive to the presence of methane is the feed, opening the path for biogas or natural gas purification without the need of H2S separation.

De nos jours, de nouvelles technologies sont développées pour produire efficacement des produits dérivés de matières premières autresque le pétrole, comme par exemple la biomasse. En effet, la biomasse et plus spécifiquement la biomasse non alimentaire possède un fort potentielcomme substitut aux ressources fossiles pour des raisons environnementales, économiques et politiques. Dans ce contexte, l’étude des bioraffineries offre de nouvelles opportunités pour le Process System Engineering et plus particulièrement pour des activités de recherche quivisent la conception de systèmes constitués d’entités interconnectés. En effet, le verrou principal se concentre sur la modélisation et l’optimisation multi-échelle de la bioraffinerie qui permet l’intégration de plusieurs échelles spatiales allant de l’échelle moléculaire à celle de l’unité de production. Ces différentes échelles sont essentielles pour décrire correctement le système puisqu’elles interagissent en permanence. La forte dilution des courants est le meilleur exemple pour illustrer ces interactions. En effet, la présence d’eau induit de nombreux problèmes thermodynamiques (azéotropes, etc.) à l’échelle moléculaire, ce qui impacte fortement la topologie du procédé notamment sur les étapes de séparation, de purification et detraitement des purges (pour limiter les pertes en produits). Ainsi, la performance de la séquence d’opérations unitaires de l’étape de purification dépend entièrement de la concentration en eau. De plus dans la conception de bioraffinerie, il est fréquent de coupler fermentation et séparation afin d’améliorer les performances de la fermentation et de limiter la présence d’eau dans l’étapede purification. Par ailleurs, la grande quantité d’eau à chauffer ou refroidir entraine la nécessité de réaliser l’intégration énergétique du réseaud’échangeurs du procédé afin de minimiser le coût les dépenses énergétiques. L’objectif de ce travail est alors de proposer une méthodologie générique et les outils associés afin de lever certains verrous de la modélisation et l’optimisation multi-échelle de la bioraffinerie. Basée sur une approche par superstructure, la finalité de la méthodologie est d’évaluer les performances des alternatives étudiées en termes technico-économiques, environnementaux et d’efficacité énergétique en vue de son optimisation multi-objectifs pour trouver la voie de traitement optimale pour le(s) bioproduit(s) d’intérêt. Le cas d’application retenu se focalise sur la production de biobutanol à partir du système Acétone-Butanol-Ethanolet d’une biomasse d’origine forestière. La première étape de la méthodologie proposée concerne la création de la superstructure de la bioraffineriebasée sur une décomposition de cette dernière en 5 étapes principales : le prétraitement, la fermentation, la séparation, la purification et letraitement des purges. Ensuite, la seconde étape consiste à modéliser chaque alternative de procédé. Cette modélisation utilise un modèlethermodynamique à coefficients d’activité afin de décrire le comportement fortement non-idéal des molécules du milieu. De plus, l’intégration du traitement des purges et de l’intégration énergétique durant cette étape permet d’améliorer le procédé. Enfin, la dernière étape s’intéresse à l’optimisation multiobjectif qui se focalise sur différents aspects : maximisation de la production, minimisation des coûts, du prix minimal de vente des bioproduits, des pertes en produits et de l’impact environnemental. Cette dernière étape inclut également des études de sensibilité sur les différents paramètres de la méthodologie : opératoires, économiques, environnementaux... A l’issu de l’optimisation, un compromis seratrouvé afin d’obtenir une bioraffinerie durable.

Les polyhydroxyalcanoates forment une famille de polymères naturels, biodégradables et biocompatibles, à laquelle appartient le poly(3-hydroxybutyrate) ou PHS. Les chercheurs s'efforcent constamment de raffiner les procédés actuels pour produire des bioplastiques qui soient des solutions de remplacement viables des plastiques pétrochimiques. Les études nécessitent des techniques d'analyse rapides, fiables et économiques. La présente étude vise différentes méthodes d'analyse et d'extraction du PHS intracellulaire. Dans ce travail, la bactérie Alcaligenes latus a été utilisée pour transformer le saccharose en PHB. Pour l'analyse du PHB à l'intérieur des cellules, différentes approches impliquant sa dépolymérisation par hydrolyse et par méthanolyse ont été développées. L'utilisation de la micro-extraction en phase solide (SPME) a permis d'éliminer l'utilisation du chloroforme et de minimiser les étapes de préparation de l'échantillon avant l'analyse par GC. La SPME a été mise au point en utilisant une fibre de DVB/CAR/PDMS pour l'extraction de l'acide crotonique produit par l'hydrolyse et de l'ester méthylique issu de la méthanolyse. Les limites de détection, de quantification et de linéarité ont été très satisfaisantes et toutes les approches développées ont été validées. La méthanolyse du PHS sous irradiation micro-ondes (MO) a permis de réduire le temps de réaction de 3 h à 4 min. Pour la récupération du PHB, plusieurs techniques d'extraction ont été utilisées dont l'extraction au chloroforme assistée par sonication et par MO et la lyse enzymatique avec la kitalase. Après 5 min d'irradiation à 440W, il a été récupéré 86 % ± 10 % du PHS avec 3 mL de chloroforme. Sans l'application des MO, il a fallu 48 h et 10 mL de solvant pour en récupérer 96 ± 3%. L'estérification par méthanolyse assistée par MO, suivie d'une analyse par SPME-GC, s'est avérée une méthode simple, fiable et économique, permettant le dosage du PHS intracellulaire en moins d'une heure. Pour la récupération du PHB, la technique plus efficace a été l'extraction assistée par MO avec une réduction importante du temps et de la quantité de solvant d'extraction. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Poly(3-hydroxybutyrate), Micro-ondes, Micro-extraction en phase solide.

Les énamides constituent des groupes fonctionnels importants présents dans plusieurs produits naturels possédant des activités biologiques diverses. Quelques méthodes concernant la préparation de ces énamides sont rapportées dans la littérature. Toutefois, à notre connaissance il n'existe que très peu de méthodes rapides et efficaces pour préparer des énamides β-fonctionnalisés. Pourquoi s'intéresser à ces énamides β-fonctionnalisés? Parce qu'on peut leur ajouter un groupement oxyallylique en position β. Cet ajout conduit à la formation de β-allyloxyénamides susceptibles de subir un réarrangement de Claisen et ainsi conduire à la synthèse stéréosélective de composés carbonylés Y, δ-insaturés qui conduisent ultimement à la formation d'acides aminés non naturels. La synthèse des énamides β-fonctionnalisés revêt donc un intérêt synthétique important. Nous avons mis au point une nouvelle méthode pour la synthèse stéréosélective de β-iodoénamides. Le couplage entre le diiodoéthène et les amides fournit des β-iodoénamides avec des rendements allant de bons à excellents de façon stéréospécifique. L'atome d'iode en position β permet l'insertion d'autres fragments moléculaires simplifiant la construction des structures plus complexes. Cet attribut nous a permis de confirmer la faisabilité d'un deuxième couplage avec les alcools allyliques. Les réactions de couplage catalysées par l'iodure de cuivre entre les amides et le diiodoethène suivi par l'insertion d'un fragment oxyallylique constituent le premier exemple d'un double couplage hétéreoatomique effectué sur une double liaison carbone-carbone. Nos résultats préliminaires concernant le réarrangement de Claisen de β-allyloxyénamides démontrent que ceux-ci sont susceptibles de subir ce réarrangement. Ce travail a permis de confirmer la viabilité globale de la stratégie de synthèse conçue pour préparer de façon stéréosélective des intermédiaires synthétiques forts utiles comme les composés carbonylés Y, δ-insaturés. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Acide aminé, Catalyse, Couplage, Cuivre, Énamide, Radicaux, Réarrangement de Claisen.