Le procédé de production d’éthanol à partir de biomasse lignocellulosique nécessite l’hydrolyse de cette dernière en sucres simples. Cette hydrolyse est le plus souvent réalisée par voie biologique grâce à des enzymes appelées cellulases. La production de ces enzymes représente cependant un verrou économique majeur au développement du procédé à grande échelle. Les cellulases sont généralement produites industriellement par le champignon filamenteux aérobie Trichoderma reesei, doté d’une forte capacité de sécrétion d’enzymes. Les cultures sont réalisées en bioréacteurs aérés et agités mécaniquement. Elles nécessitent de contrôler la concentration des substrats, ce qui requiert la maitrise de conditions hydrodynamiques et physicochimiques. En effet, le milieu de culture de T. reesei devient une suspension de cellules de champignons associées en filaments, de structure complexe, dont la viscosité augmente avec la concentration microbienne selon un comportement rhéofluidifiant. La viscosité est fonction de la morphologie du microorganisme qui peut, elle-même, varier avec les conditions de cultures. Cet accroissement de viscosité est un critère clef de l’extrapolation du procédé, car il affecte le transfert d’oxygène. Afin de maintenir une concentration en oxygène dissous suffisante, l’agitation et l’aération sont en général augmentées, entraînant un accroissement du cisaillement. Cet accroissement impacte en retour la morphologie du champignon, ralentit sa croissance puis diminue la production de cellulases. Ainsi, les conditions hydrodynamiques et rhéologiques engendrées au sein du bioréacteur sont complexes et variables dans le temps. L’interrelation entre conditions opératoires, morphologie, croissance du champignon et viscosité du moût de fermentation impose l’intégration de tous ces phénomènes pour l’optimisation du procédé, notamment à grande échelle. L’objectif de la thèse est de mettre en place une approche, visant à étudier au laboratoire la croissance de T. reesei et sa production d’enzymes, en reproduisant les contraintes hydrodynamiques associées aux conditions de fonctionnement des fermenteurs industriels. Pour ce faire, deux méthodologies originales ont été développées : une méthode de mesure de la viscosité du milieu, optimisée pour les champignons filamenteux, représentative des conditions rencontrées à grande échelle et qui s’appuie sur l’utilisation d’un rhéomètre rotatif équipé d’un rotor hélicoïdal ; une méthode d’analyse d’images associant un microscope motorisé et des algorithmes d’analyse d’images innovants, qui permet de générer des données sur la morphologie du champignon et d’identifier un critère morphologique pertinent basé sur le nombre de « trous » au sein d’un filament. Parallèlement à ces méthodes, différentes contraintes de cisaillement ont été mises en oeuvre en fermentation, afin de reproduire, à l’échelle du laboratoire, les conditions rencontrées à l’échelle industrielle. Ces outils ont été utilisés conjointement et validés lors de cultures non conventionnelles mimant les conditions industrielles en termes de cisaillement. Ils ont permis d’identifier un critère représentatif du cisaillement (EDCF) et d’établir, à partir de ce critère, des corrélations capables de prédire la viscosité du moût de fermentation, le taux de croissance maximum du microorganisme ainsi que certains paramètres morphologiques de la souche. De façon originale, ces corrélations déterminées à l’échelle du laboratoire ont été validées par des mesures effectuées à l’échelle industrielle. Au final, l’approche développée permet d’identifier au plus tôt les contraintes d’extrapolation à ne pas dépasser, afin d’orienter les choix technologiques des fermenteurs industriels impliquant des champignons filamenteux. / Ethanol production from lignocellulosic biomass requires its transformation into fermentable sugars before the alcoholic fermentation. This step called hydrolysis is catalyzed by cellulases and is often considered as the major technical and economic challenge for the process development. Cellulases are industrially produced by the filamentous fungus Trichoderma reesei, thanks to its high secretion capacity. This fungus is strictly aerobic and is thus cultivated in aerated and stirred bioreactors. The fermentation optimization requires control of physicochemical conditions. Actually the growth of fungi induces an increase of the broth viscosity with shear thinning behavior because of the formation of three-dimensional mycelial structures (from micrometer to millimeter). This viscosity increase has a negative impact on the oxygen transfer. In order to keep the dissolved oxygen concentration higher than a critical limit, it is necessary to increase the power input thereby increasing the shear stress, which may affect the morphology of the fungus as well as its growth and cellulose production. Actually, physico-chemical conditions generated inside the bioreactor are complex and vary with time. These interrelations, between process conditions, morphology, growth and viscosity, require the integration of all these parameters to optimize the full-scale process. The goal of the thesis work was to develop a scale-down approach at lab-scale to mimic hydrodynamic conditions of industrial bioreactors and to study their impact on T. reesei growth and cellulase production. For that purpose, two new tools were developed. The first one consists in a new rheological measurement set-up using a helical rotor dedicated to filamentous fungi preventing mycelium degradation during the measurements. The second one is an original image analyses method that uses specific algorithms. It was then possible to record various morphological data on fungi and to select the most relevant ones (like the number of holes). Meanwhile, a wide range of shear stress conditions were explored in the laboratory bioreactor to reproduce industrial conditions. The new tools we had developed, coupled to these unconventional cultures lead to identifying a shear stress relevant

Abstract Production of recombinant proteins and organic molecules by microbial fermentation is a widely used process in pharmaceutical, biofuel, food and chemical industries. Micro-organisms are cultivated in a bioreactor enabling a proper environment and conditions for production of the desired product molecule. Usually, however, the conditions in the bioreactor are inhomogeneous because of technical limitations such as insufficient mixing. This causes gradients in various parameters such as temperature, ph, dissolved oxygen or substrate concentration, which can have a negative effect on product quality and quantity. Understanding the effects of such environmental variations for the host organism and product molecule are crucial for the bioprocess control. The aim of this dissertation was to study the metabolic and gene expression level response of Escherichia coli bacterium for variating conditions in the bioreactor. The responses for rapid temperature increase and oxygen limitation was studied by shift experiments. The effect of oscillating oxygen and glucose concentrations, typical for industrial scale processes, was studied with a scale-down model. The main results were obtained in the oxygen downshift experiments. It was shown that a non-canonical amino acid norvaline, known to replace leucine in recombinant proteins, is accumulated in significant concentration under oxygen limitation. The accumulation of norvaline was also observed in the scale-down model indicating that norvaline could also be found in large scale processes. The quantitative gene expression results for the norvaline pathway genes showed no clear response. This indicates that the norvaline formation occurs due to the changes on metabolic rather than transcriptional level. The second key result of this dissertation was the finding, that the accumulation of formate, a typical anaerobic metabolite, was diminished by medium boosted with trace amounts nickel, selenium and molybdenum, enabling the activity of formate degrading enzyme complex. The results of this dissertation can be utilized in the industrial process optimisation and as a basis for further bioprocess studies. / Tiivistelmä Vierasproteiinien ja orgaanisten molekyylien tuottaminen fermentoimalla on paljon käytetty menetelmä lääke-, bioenergia-, elintarvike- sekä kemianteollisuudessa. Mikrobit kasvatetaan bioreaktorissa, joka mahdollistaa sopivan kasvuympäristön ja tuotanto-olosuhteet halutulle tuotteelle. Usein bioreaktorin olosuhteet ovat kuitenkin epätasaiset teknisten rajoitteiden kuten riittämättömän sekoitustehon vuoksi. Tämä aiheuttaa eri muuttujien, kuten happi- ja ravinnepitoisuuden, pH:n tai lämpötilan vaihtelua ajan ja paikan suhteen, millä voi olla haitallinen vaikutus tuotteen laatuun tai saantoon. Ympäristötekijöiden muutosten isäntäsolulle tai tuotemolekyylille aiheuttamien vaikutusten ymmärtäminen ovat yksi ratkaisevista tekijöistä bioprosessien hallinnassa. Tässä väitöskirjassa tutkittiin Escherichia coli -bakteerin aineenvaihdunnan sekä geeniekspression vasteita bioreaktorin ajan ja paikan suhteen vaihtelevissa olosuhteissa. Hapenpuutteen ja lämpötilan nousun vaikutusta tutkittiin kokeilla, joissa olosuhdetta kertaluontoisesti ja nopeasti muutettiin. Teollisille fermentointiprosesseille tyypillistä happi- ja ravinnepitoisuuksien jatkuvaa vaihtelua tutkittiin suurta bioreaktoria jäljittelevällä pienoismallilla. Tärkeimmät tulokset liittyivät kokeisiin, joissa tutkittiin hapenpuutetta. Kokeissa kävi ilmi, että happirajoitetuissa olosuhteissa muodostuu huomattavia määriä epätavallista aminohappoa norvaliinia, jonka tiedetään korvaavan leusiinia vierasproteiineissa. Norvaliinin muodostumista havaittiin myös pienoismallilla tehdyissä kasvatuksissa, osoittaen että norvaliinia voi mahdollisesti löytyä myös suuren mitan prosesseista. Geeniekspressiomittaukset eivät osoittaneet muutoksia norvaliinin aineenvaihduntareitillä, osoittaen että havaittu norvaliinin muodostuminen tapahtuu aineenvaihdunnallisten muutosten seurauksena. Toinen tässä väitöstutkimuksessa saatu tärkeä tulos oli muurahaishapon kertymisen vähentyminen, kun kasvatusliuokseen lisättiin nikkeliä, seleeniä ja molybdeeniä aktivoimaan muurahaishappoa hajottavaa entsyymikompleksia. Tämän väitöstutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää teollisten prosessien optimoinnissa ja perustana uusille tutkimusaiheille.

Les objectifs de cette thèse sont, d’une part, de développer un système d’agitation performant en termes de transfert d‘oxygène et de forces de cisaillement afin qu’il soit adapté aux cultures de levures, de bactéries et de champignons filamenteux. D’autre part, de mettre au point un procédé de production des spores de champignons en milieu liquide pour remplacer la culture sur milieu solide (boîte de roux) utilisée au démarrage de la thèse par la société DSM. Ces travaux ont permis de sélectionner le mobile type « oreilles d’éléphant » comme système d’agitation. Son efficacité de transfert d’oxygène a été caractérisée dans une large gamme de débits d’air et de vitesses d’agitation. Les données obtenues ont été modélisées pour développer un outil de prédiction du KLa et d’extrapolation de procédé d’agitation. L’approche utilisée pour l’extrapolation est basée sur la similitude non géométrique et le maintien du coefficient de transfert d’oxygène (KLa) constant entre les échelles. L’efficacité du nouveau mobile d’agitation a été validée à l’échelle pilote en présence des cultures de bactéries, de levures et de champignons. Parallèlement au choix du mobile d’agitation, un procédé de production de spores de champignons filamenteux en milieu liquide a été développé. Ainsi, le milieu de culture et les conditions opératoires de chaque étape de la fermentation (germination, croissance végétative et sporulation) ont été optimisés. Ce nouveau procédé permet d’obtenir jusqu’à 200.106 cellules par millilitre de culture aussi bien à l’échelle du laboratoire que pilote (900L). Il a été aussi validé en présence de cultures de levures et de bactéries. Sur le même principe, les données obtenues à l’échelle pilote ont permis de développer un outil d’extrapolation à l’échelle industrielle de 10 m3 / The objectives of this thesis are, on one hand, to develop an efficient system of agitation in terms of oxygen transfer and shear stress, suited for the fermentation of yeasts, bacteria and filamentous fungi, on the other hand, to develop a process of spore production in a liquid medium. This new process will be used instead of the solid culture in Roux flasks used by DSM at the beginning of the PhD program. In a first step, we have selected “Elephant Ears” impellers as stirrers; its effectiveness of oxygen transfer was characterized in a broad range of stirring speeds and airflow rates. The data obtained were modeled and a predictive tool for KLa and process extrapolation was developed. The extrapolation is based on the non-geometrical similarity and the coefficient of oxygen transfer (KLa) was kept constant between scales. The effectiveness of the new stirrer was validated in a pilot-scale in the presence of the cultures of bacteria, yeasts and filamentous fungi. Besides the studies on the stirrer, a process in a liquid medium of filamentous fungi was developed. Thus, the fermentation medium and the operating conditions of each steps of the fermentation (germination, vegetative growth, and sporulation) were optimized. This new process makes possible to obtain up to 200.106 cells per milliliter of culture on both laboratory and pilot scale (900L). Finally, the data gathered on the pilot scale was used to extrapolate this process to the industrial-scale of 10m3

I detta projekt har uttrycket av Affibodymolekyler i bioreaktorer av olika volymetriska skalor jämförts för att fastställa om ett tillförlitligt samband mellan de olika bioreaktorernas prestanda kan etableras för att möjliggöra utvecklingen av en nedskalad produktionsmodell för Affibodymolekyler. Baslinjen för jämförelsen i denna studie har varit en enliters- stirred tank reactor (STR) som de andra (mindre) bioreaktorernas prestanda jämfördes med. Jämförelsen av prestanda gjordes genom odling och uttryck av sex olika Affibodymolekyler i replikat i varje bioreaktorstorlek. Prestandan i detta fall hänvisar till produktionen av Affibodymolekyler (mg/L Cellodling) under odlingen, som fastställdes genom ett protokoll för proteinrening av lösligt intracellulärt protein genom affinitetskromatografi och kvantifiering genom absorbans vid 280 nm. De sex olika Affibodymolekyler som har studerats i detta projekt hade tidigare visat sig ha olika uttrycksnivåer, och har här jämförts med varandra i de olika bioreaktorskalorna. De två olika bioreaktorstorlekarna som bedömdes var en 300 mL skakkolv med 50 mL arbetsvolym och en mikrotiterplatta (MTP) med 3 mL arbetsvolym. Dessutom innebar studien en bedömning av två system för en långsam frisättning av kolkälla i odlingarna, ett i varje nedskalad bioreaktorstorlek. Detta utfördes för att delvis efterlikna den kontrollerade fed-batch-kulturen i STR, där koltillförsel kontrollerades med hjälp av en feedprofil. Resultaten visade att proteinuttrycket av metoderna med en långsam frisättning av kolkällor överensstämde närmast med proteinuttrycket i STR. Anpassningen av dessa resultat mot proteinuttrycket hos STR gav i en linjär regression ett R2 på 99,69 % i 3 ml MTP och 97,46 % i 50 ml skakkolven. Slutsatserna som drogs var att SMFP08003 FeedPlate var den bästa kandidaten för en nedskalad modellering av uppströmsprocessen för produktion av Affibodymolekyler. Samt att faktorn att använda en fed-batch-process istället för en batch-process har en större inverkan på proteinuttrycket än skalan av processerna. / In this project the expression of Affibody® molecules in bioreactors of different volumetric scales has been compared, to determine if a reliable relation between the performance of the different bioreactors can be established to allow for the development of a scale-down Affibody® molecule production protocol. The baseline of comparison in this study has been a one litre Stirred Tank Reactor (STR) to which the other (smaller) bioreactors' performance were compared. The performance comparison was achieved by the cultivation and subsequent expression of six different Affibody® molecules in replicates in each bioreactor size. Performance in this case refers to Affibody® molecule production (mg/L culture) during the cultivation, which is assessed by a protocol of protein purification of soluble intracellular protein by affinity chromatography and quantification by 280 nm absorbance. The six different Affibody® molecules studied in this project had previously been found to have different expression levels, and were in this project compared to each other in the different bioreactor scales. The two different bioreactor sizes which were assessed were a 300 mL shake flask with 50 mL working volume and a 3 mL working volume microtiter plate (MTP). In addition, the study involved an assessment of the use of two systems for a slow carbon source release in the cultivations, one in each scale-down bioreactor size. This was performed to partly mimic the controlled feed systems in STRs. The results showed that the protein expression of the methods with a slow carbon source release corresponded most closely with the protein expression in the STR. The fit of these results onto the protein expression of the STR yielded a R2 of 99.69% in the 3 mL MTP and 97.46% in the 50 mL shake flask. The conclusions drawn were that SMFP08003 FeedPlate was the best candidate for scale-down modelling of the upstream process for production of Affibody® Molecules and that the factor of using a fed-batch process instead of a batch process has a larger impact on the protein expression than the scale of either process.

L'acide succinique est une molécule linéaire, bi-fonctionnelle qui possède de nombreuses applications alimentaires, chimiques et pharmaceutiques etc. Les connaissances de la régulation des voies métaboliques d’organismes d’intérêt industriel, le génie génétique et le génie des procédés ont permis à des microorganismes recombinants (C. glutamicum) de produire jusqu'à 100 g.L-1 de succinate avec des rendements intéressants. C. glutamicum est largement connu comme l'un des meilleurs producteurs industriels de nombreux acides aminés (glutamate, lysine etc.). Cependant, des études de C. glutamicum ont démontré sa capacité à produire plusieurs acides organiques (succinate, lactate, acétate, etc.). Au cours de ce travail, nous avons supprimé le gène ldhA de C. glutamicum en utilisant le plasmide pk19mobsacBΔldhA. Nous avons démontré que la délétion de ce gène n’avait pas d’incidence sur la capacité de croissance de la bactérie. Par ailleurs, nous avons étudié les effets de l’oxygénation sur la réponse physiologique de C. glutamicum 2262ΔldhA à travers des expériences de cultures en fioles en verre lisses en imposant différentes conditions de kLa. Les résultats ont montré que des faibles kLa (<33 h-1) favorisaient la production d’acides organiques tandis que les kLa élevés amélioraient surtout l’accumulation de la biomasse. Nous avons également mis en œuvre un procédé de production très efficace avec une phase de transition aérobiose-anaérobiose basée sur la régulation de la concentration en oxygène dissous. Avec ce procédé, 327 mM de succinate avec un rendement de 0,94 mole par mole de glucose ont pu être produits avec le mutant ΔldhA. En outre, nous avons vérifié l’efficacité de ce nouveau procédé en l’appliquant à la souche sauvage qui normalement produit 10 fois plus de lactate que de succinate. Ces résultats ont montré une production de 793 mM (94 g.L-1) de succinate et 785 mM (71 g.L-1) de lactate. Ils soulignent ainsi, l'importance de la phase de transition aérobiose-anaérobiose lors des procédés de production de succinate par des bactéries aérobie facultatif. Enfin, des expériences en système bi-étagé ont montré que C. glutamicum 2262 pouvait s’adapter très facilement aux gradients et hétérogénéités en oxygène dissous dans les cultures à grande échelle / Succinic acid is a linear and bi-functional molecule that has several practical applications including food, chemical and pharmaceutical industries. Thanks to increased knowledge on metabolism and pathway regulation of industrially relevant organisms, to the development of performant genetic tools and process engineering, recombinants strains (Escherichia coli, Corynebacterium glutamicum etc.) have been reported to be able to produce up to 100 g.L-1 with interesting yields (> 1.5 mole per mole glucose). C. glutamicum is well known as one of the best industrial producers of numerous amino acids (glutamate, lysine etc.). However, recent studies of C. glutamicum revealed its capability to produce several organic acids (succinate, lactate, acetate, etc.). In this work, we have deleted the ldhA gene of C. glutamicum by using a plasmid vector pk19mobsacBΔldhA. We demonstrated that the mutant and the wild type presented similar growth kinetics with maximal growth rate of about 0.7 h-1. We studied also the effects of oxygenation on C. glutamicum 2262 ΔldhA through cultures at different kLa and it appeared that lower kLa (<33 h-1) favored organic acids production wile higher favored bacterial growth. Furthermore, we designed a tri-phasic process with transition phase by regulation of dissolved oxygen concentration which resulted in the production of 327 mM of succinic acid with a yield of 0.94 mole per mole glucose. The application of the designed process to C. glutamicum 2262 wild type that normally produces lactate with a lactate to succinate production ratio up to 13.3 mol.mol-1, resulted in succinate concentration up to 793 mM (94 g.L-1) and 785 mM (71 g.L-1) of lactate. The succinate production yield was 1.1 mole per mole glucose and acetate production was negligible. These results underlined the importance of aerobic to anaerobic transition in succinate production processes of facultative aerobes and the necessity to engineer not only the microorganism but also the process. Finally, scale-down study have demonstrated the robustness of C. glutamicum against the oxygen gradients in bioreactor

The loss of efficiency and performance of bioprocesses on scale-up is well known, but not fully understood. This work addresses this problem, by studying the effect of some fermentation gradients (pH, glucose and oxygen) at a larger scale in a bench-scale two compartment reactor (PFR + STR) using the cadaverine-producing recombinant bacterium, Corynebacterium glutamicum DM1945 Δact3 Ptuf-ldcC_OPT. The initial scale down strategy increased the magnitude of these gradients by only increasing the mean cell residence time in the plug flow reactor (τ_PFR). The cell growth and product related rate constants were compared as the τ_PFR was increased; differences were significant in some cases, but only up to 2 min residence time. For example, losses in cadaverine productivity when compared to the control fed-batch fermentation on average for the τ_PFR of 1 min, 2 min and 5 min were 25 %, 42 % and 46 % respectively. This indicated that the increasing the τ_PFR alone does not necessarily increase the magnitude of fermentation gradients. The new scale-down strategy developed here, increased the magnitude of fermentation gradients by not only increasing the τ_PFR, but also considering the mean frequency at which the bacterial cells entered the PFR section (f_m). The f_m was kept constant by reducing the broth volume in the STR. Hence, the bacterial cells also spent shorter times in the well mixed STR, as the τ_PFR was increased (hypothesised as giving the bacterial cells less time to recover the non-ideal PFR section of the SDR). On adoption of this strategy cadaverine productivity decreases for the τ_PFR of 1 min, 2 min and 5 min were 25 %, 32 % and 53 % respectively. Thus, highlighting that loss in performance is most likely to occur as the magnitude of heterogeneity within the fermentation environment increases. However, Corynebacterium glutamicum DM1945 Δact3 Ptuf-ldcC_OPT did show some resilience in its biomass productivity. It was only marginally affected in the harshest of conditions simulated here.