Poly(butylene succinate) (PBSu) and two poly(butylene succinate-co-propylene succinate)s (PBPSu 95/5 and PBPSu 90/10) were synthesized via the direct polycondensation reaction. The copolyesters were characterized as having 7.0 and 11.5 mol% propylene succinate (PS) units, respectively, by 1H NMR. Copolyesters were characterized as random, based on 13C NMR spectra. They were fully investigated during nonisothermal crystallization and thermal degradation through various approaches in this study. A differential scanning calorimeter (DSC) and a polarized light microscope (PLM) adopted to study the nonisothermal crystallization of these polyesters at a cooling rate of 1, 2, 3, 5, 6 and 10 ºC/min. Morphologies and the isothermal growth rates of spherulites under PLM experiments were monitored and obtained by curve-fitting, respectively. These continuous rate data were analyzed with the Lauritzen-Hoffman equation. A transition of regime II ¡÷ III was found at 95.6, 84.4, and 77.3 ºC for PBSu, PBPSu 95/5, and PBPSu 90/10, respectively. DSC exothermic curves show that all of the nonisothermal crystallization occurred in regime III. DSC data were analyzed using modified Avrami, Ozawa, Mo, Friedman and Vyazovkin equations. Ozawa equation does not accurately describe the nonisothermal crystallization kinetics of this polyester because part of the crystallization is secondary crystallization. All the results of PLM and DSC measurements indicate that incorporation of minor PS units into PBSu markedly inhibits the crystallization of the resulting polymer. The melting behavior of nonisothermally crystallized samples presents a continuous melting¡Vrecrystallization¡Vremelting process. Additionally, three absorption bands during the nonisothermal crystallization were identified for PBSu and two PBPSu copolyesters, namely, 916, 955, 1045 cm-1 in the attenuated total reflectance FTIR spectra. Thermogravimetric analysis (TGA)-FTIR was heated at 5 ºC/min under N2 to monitor the degradation products of these three polyesters. FTIR spectra revealed that the major products were anhydrides, which were obtained following two cyclic intramolecular degradation mechanisms by breaking the weak O-CH2 bonds around a succinate group. Thermal stability at heating rates of 1, 3, 5, and 10 ºC/min under N2 was investigated using TGA. The model-free methods of Friedman and Ozawa equations are useful for studying the activation energy of degradation in each period of mass loss. The results reveal that the random incorporation of minor PS units into PBSu did not markedly affect their thermal resistance. Two model-fitting mechanisms were used to determine the loss mass function f(£\), the activation energy and the associated mechanism. The mechanism of autocatalysis nth-order, with f(£\)=£\m(1-£\)n, fitted the experimental data much more closely than did the nth-order mechanism given by f(£\)=(1-£\)n. The obtained activation energy was used to estimate the failure temperature (Tf). The values of Tf for a mass loss of 5% and an endurance time of 60,000 hr are 160.7, 155.5, and 159.3 ºC for PBSu and two the copolyesters, respectively.

Poly(ethylene succinate) (PES), poly(trimethylene succinate) (PTS) and their copolyesters (PETSAs) with various compositions were used to investigate the structure-property relationship. The results of intrinsic viscosity and GPC have proven successful in preparing high molecular weight polyesters. The chemical compositions and the sequence distribution of co-monomers in the copolyesters were determined by NMR spectroscope. The distributions of ES unit and TS unit were found to be random. Their thermal properties were characterized using differential scanning calorimeter (DSC). The thermal stability of polyesters was analyzed by thermogravimeter (TGA) and polarized light microscope (PLM) under nitrogen. The results of TGA show that all of the samples have similar thermal stability (Tstart : 246¡Ó3 ¢XC), but the thermal degradation temperature of PES and PETSA(95/05) are 213 and 200 ¢XC, respectively, estimated from the isothermal growth rates after pre-melting at various temperatures. The degradation temperature analyzed by PLM is more sensitive than that obtained from TGA. The incorporation of 5 mol% of TS units into PES significantly reduces the thermal stability of PES. In addition, wide-angle X-ray diffractograms (WAXD) were obtained for polyesters which were crystallized isothermally at a temperature 5~10 ¢XC below their melting temperatures. The results of WAXD and DSC indicate that the incorporation of TS units into PES significantly inhibit the crystallization behavior of PES. In the second part of this study, PES and PETSA(95/05) were studied in detail. The crystallization kinetics and the melting behavior were investigated by using DSC in both conventional mode and modulated mode (TMDSC). The reversing, total, and non-reversing heat flow curves were analyzed. The Hoffman-Weeks plots gave an equilibrium melting temperature of 112.7 and 108.3 ¢XC for PES and PETSA(95/05), XI respectively. Only one crystal form was found from WAXD for specimens crystallized isothermally at various temperatures. Based on the WAXD patterns, DSC and TMDSC thermograms, multiple endothermic melting peaks can be explained by two mechanisms, melting-recrystallization-remelting and dual morphologies. PLM was used to study the growth rates and morphology of the spherulites. The growth rates measured in isothermal conditions were very well comparable with those measured by the non- isothermal procedure. In addition, the temperature range of growth rates detected by the non- isothermal procedure is wider than that by the isothermal method, which is time consuming. The regime II®III transition of PES was estimated at ~ 71 ¢XC which is very close to the literature values, and that of PETSA(95/05) was found at ~ 65 ¢XC.

名古屋大学博士学位論文 学位の種類 : 博士(医学)(論文) 学位授与年月日:平成5年9月14日 柿沼善弘氏の博士論文として提出された

Das Interesse an biotechnologisch hergestellter Bernsteinsäure als ein potenzielles intermediäres Ausgangsmaterial und als Alternative zu petrochemischen Produktionsprozessen in der Industrie steigt stetig. Für industrielle Zwecke wird Succinat derzeit noch hauptsächlich petrochemisch aus Maleinsäureanhydrid ausgehend von Butan gewonnen. Aufgrund ihrer Struktur als lineare, gesättigte Dicarbonsäure hat Bernsteinsäure allerdings das Potenzial als sogenannte Building-Block-Chemikalie zu fungieren und das als Ausgangssubstanz für viele Prozesse dienende Maleinsäureanhydrid zu verdrängen. Wichtige Vorstufen für die chemische Synthese, Polyesterproduktion und andere Prozesse können aus Succinat gewonnen werden, eine preiswerte und zu Maleinsäureanhydrid günstigere Bereitstellung von Succinat vorausgesetzt. Aufgrund der zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten und der mit der petrochemischen Herstellung verbundenen Nachteile, wie z. B. hohe Kosten und der Einsatz umweltschädlicher Substanzen, ist die Forschung an succinatproduzierenden Organismen durch den voraussichtlichen ökologischen Nutzen und der besseren Kosteneffizienz einer biobasierten Succinatproduktion motiviert. Bernsteinsäure wird natürlicherweise durch viele Mikroorganismen, Pflanzen und Tiere als Intermediat im zentralen Stoffwechsel oder als Stoffwechselendprodukt gebildet. Die Mehrheit der natürlichen und optimierten Produzenten stellen Bakterienstämme dar, die Succinat unter anaeroben Bedingungen akkumulieren. In den letzten Jahren rückten auch Hefen immer stärker in den Fokus der Untersuchungen zur Entwicklung von biotechnologischen Verfahren zur Succinatproduktion. Neben der konventionellen Hefe Saccharomyces cerevisiae, mit der bisher trotz gentechnischer Veränderungen nur maximal 6,3 g Succinat je Liter produziert werden konnte, ist besonders die als Säureproduzent bekannte Hefe Yarrowia lipolytica von Bedeutung. Yarrowia lipolytica ist einzigartig in ihrer Fähigkeit zur Produktion und Sekretion von großen Mengen verschiedener organischer Säuren, wie Citrat, Isocitrat, α-Ketoglutarat und Pyruvat. Aufgrund dieser hohen Sekretionskapazität für Metabolite und Proteine und einer effizienten Verwertung eines breiten Substratspektrums, aber auch wegen ihrer Apathogenität und der guten molekularbiologischen und verfahrenstechnischen Handhabbarkeit ist diese Hefe schon seit einigen Jahren von hohem industriellen Interesse. Neben den bereits genannten organischen Säuren ist Yarrowia lipolytica unter geeigneten Bedingungen auch zur Produktion und Sekretion von Succinat fähig. In der vorliegenden Arbeit sollte das Potenzial dieser Hefe als Succinatproduzent untersucht werden. Der Fokus der Untersuchungen lag dabei vor allem auf dem succinat-metabolisierenden Enzym Succinatdehydrogenase, das im Tricarbonsäurezyklus die Oxidation von Succinat zu Fumarat katalysiert. Zu Beginn der Arbeiten wurden die Auswirkungen einer Reduktion der Aktivität der Succinatdehydrogenase durch das Antibiotikum Carboxin untersucht. Carboxin bewirkt in verschiedenen Organismen eine Hemmung der Succinatdehydrogenase. Dabei bindet Carboxin wahrscheinlich an die Ubichinon-Bindestelle der Succinatdehydrogenase und verhindert so eine Reduktion von Ubichinon. Die Wirkung von Carboxin auf die Succinatdehydrogenase und die Succinatproduktion der Hefe Yarrowia lipolytica wurde bisher allerdings nicht untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde jedoch nachgewiesen, dass Carboxin nicht nur auf das Wachstum des Wildtypstamms Yarrowia lipolytica H222, sondern auch auf die spezifische Aktivität der Succinatdehydrogenase hemmend wirkte. Es wurde außerdem gezeigt, dass eine Reduktion der Succinatdehydrogenaseaktivität zu einer deutlichen Steigerung der maximalen Succinatmengen und der Produktbildungsraten führte. So wurden mit 150 μg L-1 Carboxin maximale Succinatmengen von 31,6 ± 5,4 g L-1 mit durchschnittlichen Produktivitäten von 65,5 ± 7,6 mg L-1 h-1 und 4,3 ± 1,7 μg OD-1 h-1 im Vergleich zur Kultivierung ohne Carboxin mit 2,0 ± 0,7 g L-1, 4,3 ± 0,9 mg L-1 h-1 und 0,2 ± 0,1 μg OD-1 h-1 nachgewiesen. Um auf das für großtechnische Verfahren ungeeignete Antibiotikum Carboxin zu verzichten, sollte die Aktivität der Succinatdehydrogenase anschließend durch gezielte gentechnische Veränderungen reduziert werden. Um dies zu erreichen, wurde das Gen SDH2, das für die Eisen-Schwefel-Untereinheit der Succinatdehydrogenase kodiert, unter die Kontrolle ausgewählter Promotoren (des Isocitratlyasegens ICL1 oder des 3-Oxo-Acyl-Thiolasegens POT1) gesetzt, die unter bestimmten Bedingungen, z. B. bei Einsatz von Glycerol als Kohlenstoffquelle nur schwach expremiert werden. Die spezifische Aktivität der Succinatdehydrogenase konnte dadurch um 40 (pICL1-SDH2) bzw. 64 % (pPOT1-SDH2) herabgesetzt werden. Die so konstruierten Yarrowia lipolytica Stämme H222-AZ1 (pICL1-SDH2) und H222-AZ2 (pPOT1-SDH2) produzierten maximal 15,3 ± 0,5 g L-1 bzw. 30,0 ± 3,7 g L-1 Succinat. Die Untersuchungen mit Carboxin und gentechnisch bedingter verringerter Expression zeigten, dass es offenbar einen Zusammenhang zwischen Reduktion der Aktivität der Succinatdehydrogenase und Steigerung der Succinatproduktion gibt. Weiterhin waren die Produktbildungsraten bei beiden Stämmen im Vergleich zum Wildtyp signifikant erhöht. Eine Reduktion der Aktivität der Succinatdehydrogenase – sei es durch Carboxin oder Promotoraustausch – bewirkte außerdem eine Reduktion der Malat- und Fumaratbildung und eine Erhöhung der detektierbaren α-Ketoglutaratgehalte. Auf Basis dieser Ergebnisse wurde geschlussfolgert, dass die Succinatdehydrogenase das Schlüsselenzym zur Beeinflussung der Succinatproduktion zu sein scheint. Diese Schlussfolgerung wurde außerdem durch die Arbeiten von Yuzbashev et al. (2010) unterstützt. Parallel zu diesen Arbeiten wurden außerdem die Effekte der Überexpression der α-Ketoglutaratdehydrogenase, der Isocitratlyase und der Pyruvatcarboxylase untersucht. Trotz einer signifikanten Steigerung der spezifischen Aktivitäten hatten weder eine Überexpression der α-Ketoglutaratdehydrogenase noch der Isocitratlyase eine Steigerung der Succinatproduktion zur Folge. Nur die erhöhte Kopienzahl des Pyruvatcarboxylase kodierenden Gens und eine damit einhergehende Steigerung der Aktivität resultierte in einer geringen Erhöhung der gebildeten Succinatgehalte im Vergleich zum Wildtyp. Bei gleichzeitiger Reduktion der Succinatdehydrogenaseaktivität durch Carboxin wurde diese Tendenz eindeutig bestätigt. Aufgrund dieses Befunds wurde ausgehend von H222-AZ2 ein Stamm konstruiert, in dem zusätzlich zum Austausch des DH2-Promotors mehrere Kopien des Pyruvatcarboxylase-kodierenden Gens PYC1 eingeführt wurden. Die Überexpression von PYC1 resultierte nicht nur in einer gesteigerten Aktivität der Pyruvatcarboxylase, sondern auch in einer weiteren Steigerung der Succinatproduktion im Vergleich zu H222-AZ2. So wurden maximale Succinatmengen von 43,9 ± 7,9 g L-1 mit durchschnittlichen Produktivitäten von 129,4 ± 13,0 mg L-1 h-1 und 8,2 ± 1,5 μg OD-1 h-1 nachgewiesen. Im Vergleich zum Wildtyp entspricht dies einer Steigerung der detektierbaren Succinatmengen um das 34fache. Die in der vorliegenden Arbeit erzielten Ergebnisse verdeutlichen das große Potenzial der Hefe Yarrowia lipolytica für die biotechnologische Herstellung von Succinat. Es wurde gezeigt, dass eine Reduktion der Succinatdehydrogenaseaktivität allein oder kombiniert mit der gesteigerten Pyruvatcarboxylaseaktivität zu einer drastischen Steigerung der Succinatproduktion sowie zu einer Reduktion der Nebenprodukte Fumarat und Malat führte. Es wird davon ausgegangen, dass eine weitere Steigerung durch eine Optimierung der Kultivierungsbedingungen bzw. durch zusätzliche gentechnische Veränderungen möglich ist. So sollte durch nachfolgende gentechnische Veränderungen, z. B. eine erhöhte Expression der Gene der am Glyoxylatzyklus beteiligten Enzyme Malatsynthase und Isocitratlyase, vor allem die weitere Reduktion der Nebenprodukte, besonders eine Reduktion der α-Ketoglutaratgehalte angestrebt werden. Des Weiteren sollten auch die Transportprozesse der organischen Säuren, insbesondere durch die Membranen, untersucht und gegebenenfalls zugunsten der Succinatproduktion manipuliert werden.

Hypoxic pulmonary vasoconstriction (HPV) is a local physiological mechanism in lungs that optimalises blood oxygenation during alveolar hypoxia. Arterioles in the affected region increase flow resistance which redirects blood to better ventilated parts of the lung. During global hypoxia - e.g. in high altitude or in chronic pulmonary illnessess - this mechanism doesn't work, as the blood cannot be redirected elsewhere. The pressure in pulmonary artery rises which leads to right heart hypertrophy and ultimately to cor pulmonale. This mechanism has been studied for decades, but specific signalling pathways still lack full description and therapeutical solutions are not available. This thesis offers description of selected properties of pulmonary circulation and patophysiological context of pulmonary hypertension, introduces the reader to HPV localization and signalization, and discusses its most important steps from decreased oxygen availability to vessel constriction. The practical part of this work explores Succinate dehydrogenase (SDH) - complex coupling Kreb's cycle to electron transport chain - as a primary detection site of hypoxia in pulmonary artery smooth muscle cells. We decided to test this hypothesis in isolated rat lungs by measuring if malonate (SDH inhibitor) causes vasoconstriction as...

Les phéochromocytomes et les paragangliomes (PCC/PGL) sont des tumeurs neuroendocrines rares qui se développent aux dépens de la médullosurrénale et des paraganglions sympathiques et parasympathiques. Près de 40% des patients ont une prédisposition génétique, et, à ce jour 13 gènes de prédisposition ont été identifiés. Les mutations du gène SDHB sont un facteur de risque de malignité et de mauvais pronostic qui conduisent à une perte de fonction de la succinate déshydrogénase (SDH), enzyme du complexe mitochondrial II. Il en résulte une accumulation intracellulaire de succinate responsable du phénomène dit de « pseudohypoxie » qui stimule la production de VEGF et donc l’angiogenèse, ainsi que l’expression du transporteur membranaire du glucose GLUT-1. Le surrisque de malignité liée à SDHB et l’absence de traitement curatif des formes métastatiques de PCC/PGL justifient l’élaboration d’un modèle murin permettant de mettre en place des essais précliniques. L’obtention d’un modèle murin prédisposé au PCC/PGL par mutation du gène Sdhb s’étant révélée infructueuse, notre équipe a finalement généré des cellules chromaffines Sdhb-/- immortalisées (imCC Sdhb-/-) dont l’implantation dans le coussinet adipeux sous-cutané (Fat-pad) de souris nudes NMRI a permis l’établissement du premier modèle de tumeurs porteuses d’une inactivation complète du gène Sdhb. La caractérisation phénotypique du modèle a été réalisée par imagerie multimodalité in vivo, comparativement à un groupe contrôle de souris ayant reçu des imCC non mutées (WT). L’angiogenèse tumorale évaluée par imagerie optique retrouve une expression des intégrines αvβ3 plus marquée dans le groupe Sdhb-/- avec une rétention du traceur prolongée 12 h après injection. L’IRM dynamique de contraste (IRM-DCE), montre un rehaussement tumoral global nettement plus important dans le modèle Sdhb-/-, que le post-traitement par le logiciel PhysioD3D permet d’attribuer à une augmentation du volume capillaire intratumoral. Sur le plan métabolique, la consommation globale de glucose mesurée par TEP au 18FDG est également plus marquée dans les tumeurs Sdhb-/-. Enfin, la spectroscopie par résonance magnétique (1H-MRS) a mis en évidence une accumulation de succinate dans les tumeurs Sdhb-/-, non retrouvée dans les tumeurs WT. Ce résultat a été confirmé par spectrométrie de masse et cette technique innovante de détection du succinate in vivo a été transférée avec succès en clinique pour l’exploration des patients porteurs de PCC/PGL. En conclusion, l’imagerie in vivo a permis de distinguer le phénotype des tumeurs Sdhb-/- de celui des WT, avec une néoangiogenèse, une microcirculation et un métabolisme glucidique augmentés. Ces résultats permettent de proposer des études précliniques de réponse précoce aux traitements. La détection de l’accumulation de succinate par 1H-MRS ouvre la possibilité d’un diagnostic « métabolique » préopératoire pour détecter les patients de mauvais pronostic. / Pheochromocytomas and paragangliomas (PCC/PGL) are rare neuroendocrine tumours that arise from chromaffin cells of the adrenal medulla, sympathetic and parasympathetic paraganglia respectively. Around 15% of PCC are malignant. SDHB mutations are associated with malignancy and poor prognosis. SDH deficiency leads to succinate accumulation that induces a cellular pseudohypoxic phenotype, promoting in particular VEGF and GLUT-1 expression and increasing angiogenesis and glucose metabolism. The high malignancy hazard associated with SDHB and the absence of curative treatment of metastatic forms of the disease make it essential to develop a mouse model for preclinical trials launching. The quest for a predisposed mouse model of Sdhb-deficient tumors being unsuccessful, Sdhb-/- and wild-type (WT) immortalized mouse chromaffin cells previously generated in the laboratory were propagated in the fat pad of NMRI nude mice, thereby providing the first pattern of Sdhb- deficient tumors. These mice were compared to a control group receiving non-mutated imCC (WT) and characterization was performed in vivo by multimodality imaging. Optical imaging assessing the tumor angiogenesis with Angiostamp®, an RGD fluorescent peptide, found an increased expression of integrins αvβ3 in the Sdhb-/- group 12 h after tracer injection. Dynamic contrast enhanced MRI (DCE-MRI) showed an overall tumor enhancement significantly higher in the Sdhb-/- model secondary to an increase of the tumor blood flow (F) and of the intratumoral capillary volume fraction (Vb) (compartmental analysis using PhysioD3D software). Metabolic imaging assessed by 18FDG-PET confirmed the expected high glucose consumption by Sdhb-/- tumors. Finally, magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) detected succinate accumulation in Sdhb-/- tumors and not in WT tumors. This result was confirmed by mass spectrometry and this innovative procedure for in vivo detection of succinate was translated into patients suffering from PCC/PGL. A succinate peak was specifically observed in SDHx-related PCC/PGL patients. In conclusion, these results show strong differences between Sdhb-/- and WT allografts and suggest that preclinical therapeutic studies could be implemented in this unique model of Sdhb-deficient tumour. Our noninvasive, highly sensitive and specific method allowing in vivo detection of succinate, the major biomarker of SDHx-mutated tumors was translated into clinical imaging.

Dans le contexte actuel d'une prise de conscience environnementale générale, concernant plus particulièrement la gestion des polymères en fin vie, la thèse se propose d'étudier la substitution d'une matrice non biodégradable (Polyéthylène) par une matrice biodégradable (Polybutylene Succinate) dans le cadre de la propriété singulière de thermorétraction mise à profit dans le secteur de l'emballage.Ce travail de thèse, cofinancé par un industriel du secteur de l'emballe et par l'Agence de l'Environnement et de la Maitrise de l'Energie (ADEME) a donc consisté à :- Mettre en évidence l'influence des branchements longs contenus dans certains polymères, ainsi que leurs mélanges avec des polymères linéaires sur le comportement rhéologique en cisaillement et en élongation,- Proposer une modélisation de la contrainte interne stockée lors de l'étape de mise en forme par extrusion de film à plat (extrusion dite « cast ») en vue de prédire la contrainte de thermorétraction,- Etablir le lien entre la structure des matériaux, ses conditions de mise en œuvre et la morphologie du film final afin d'établir une corrélation avec le taux de rétraction.Dans un premier temps, cette étude a été réalisée sur des matrices modèles de polyéthylènes et ensuite transposée à une matrice biodégradable de Polybutylène Succinate. / Due to environmental concerns growth including the management of the end of life of polymer wastes, the present work proposes to study the feasibility of a substitution of conventional non-biodegradable polyethylene by a biodegradable matrix of Polybutylene Succinate in order to produce heat shrinkable films with equivalent properties. This property is mostly used in the packaging industry to wrap product such as six packs bottles, cans or other food products together.This work half-financed by a packaging company based in France and by the French environment and energy management agency consisted on:- Highlight the impact of the macromolecular architectures of the polymers and their blends on the rheological behavior under shear and elongational flow,- Developing a modeling approach of the stress stored in the molten polymer during the cast film extrusion process in order to predict the shrinkage stress,- Correlate the structure of the materials with their processing conditions and the morphology(ies) of the final film in order to correlate them with the shrinkage rate.The first part of this work was dedicated to the understanding of the shrinkage mechanism and to develop an approach on polyethylenes matrices used as models and then to transpose this approach to a biodegradable matrices of Polybutylene Succinate and therefore conclude on the feasibility of the use of such a matrices for heat shrinkable films for packaging application.

Dans le but de développer des matériaux à partir d’une ressource renouvelable de moindre coût que l’amidon, des matériaux à base de farine de maïs ont été élaborés par extrusion-injection. La caractérisation des propriétés physico-chimiques de ces matériaux a révélé que le taux de glycérol (ajouté à la farine de maïs en tant que plastifiant) et le profil des zones de cisaillement employé lors de l’extrusion influencent significativement le taux de déstructuration de l’amidon et des protéines de la farine de maïs. Ceci a pu être établi en croisant notamment les résultats de l’analyse par diffraction aux rayons X, par spectroscopie infra-rouge à transformée de Fourier, de l’analyse calorimétrique différentielle à balayage à des observations par microscopie confocale à balayage laser des matériaux. De plus, le suivi des cinétiques d’hydrolyse en sucres réducteurs de l’amidon par des enzymes amylolytiques en présence et en absence d’enzymes protéolytiques a pu être relié à la déstructuration des protéines. Les matériaux obtenus présentent cependant des inconvénients rédhibitoires pour certaines applications comme l’hygroscopie élevée et le vieillissement rapide dans le temps. L’ajout de polybutylène succinate (PBS) au mélange farine-glycérol a cependant permis de conduire à une amélioration des propriétés mécaniques et à une réduction de l’hygroscopie de ces matériaux. Les observations de la morphologie de ces matériaux par microscopie électronique à balayage ont montré que la farine de maïs et le PBS sont incompatibles et présentent une morphologie qui varie selon le taux de PBS dans le mélange (30, 50 ou 70%). L’étude de la cinétique d’hydrolyse de l’amidon de la farine de maïs par des enzymes amylolytiques a permis de mettre en évidence l’influence de plusieurs facteurs : (i) la cristallinité de l’amidon, (ii) l’aire spécifique, (iii) la porosité et (iv) la morphologie des matériaux. De plus, l’évaluation de la biodégradation par voie microbienne en milieu liquide et solide par voie aérobie ou anaérobie a montré les mêmes tendances globales que les résultats obtenus par voie enzymatique. Ainsi, les matériaux élaborés à partir des formulations présentant des proportions de PBS excédant 50 % ne sont pas biodégradables au sens de la norme ISO 14855/1999 et sont également faiblement hydrolysés par les enzymes amylolytiques. / In order to develop materials from a cheaper renewable resource than starch, materials based on corn flour were prepared by extrusion and injection. The physicochemical characterization of these materials revealed that the glycerol content (used as plasticizer) and the profiles of shear zones used during extrusion significantly influence the destructuration intensity of starch and proteins of that composed corn flour. This could be established by combining the results of X-ray diffraction analysis, Fourier transform infrared spectroscopy, differential scanning calorimetry, and laser scanning confocal microscopy observations. In addition, the kinetics of the hydrolysis of starch into reducing sugars by amylolytic enzymes in the presence and absence of proteolytic enzymes significantly differed only when the initial structuration of proteins in corn flour was preserved. The materials obtained presented limitations for some applications namely due to their high hygroscopicity and rapid aging over time. The addition of polybutylene succinate (PBS) to flour-glycerol mixture improved mechanical properties and reduced hygroscopicity of the materials. The observation of these materials by scanning electron microscopy showed that corn flour and PBS are incompatible and have a morphology that varies according to the PBS content in the mixture (30, 50 or 70%). The study of the hydrolysis kinetics of starch corn flour by amylolytic enzymes contributed to highlight the influence of several parameters : (i) starch crystallinity, (ii) specific area, (iii) porosity, and (iv) material morphology. In addition, the evaluation of the microbial biodegradation in liquid and solid media aerobically or anaerobically showed the same overall trends as the results obtained by enzymatic hydrolysis. Thus, materials produced from formulations having PBS ratios exceeding 50% are not biodegradable according to the ISO 14855/1999 and are weakly hydrolyzed by amylolytic enzymes.

Pour limiter la production de déchets, la voie de polymères biodégradables est largement explorée. La biodégradation en compost est un phénomène complexe qui dépend de la température, de l’humidité, du soleil et du polymère lui-même. Dans un premier temps, les effets de ces différents paramètres sur la biodégradation de l’acide polylactique (PLA) sont étudiés à l’aide de la viscoélasticité à l’état fondu. Il en résulte que l’échantillon lui-même n’a que peu d’influence sur sa dégradation, mais les conditions de dégradation influencent d’avantage les phénomènes mis en jeu. Dans un deuxième temps, le PLA est associé au poly(butylène succinate) (PBS), un polymère plus favorable à la biodégradation afin d’améliorer la dégradation du PLA. Après s’être intéressée à la biodégradation de polymères « compostables », cette étude se tourne vers la biodégradation d’un polymère non-biodégradable : le polypropylène (PP). Afin d’initier un processus de bio assimilation, des charges sont ajoutées au PP pour dégrader préalablement le polymère et ainsi favoriser l’action des micro-organismes sur les chaines plus courtes. Les hydroxydes doubles lamellaires induisent bien une dégradation mais ce n’est pas assez pour permettre l’assimilation du polymère. Finalement, ce travail aborde la biodégradation de différents polymères dans le but de comprendre ce phénomène et d’améliorer la biodégradation des polymères étudiés. / Nowadays, to minimize our waste production, many studies are focused on environmentally friendly polymers. Degradation in compost is a complex phenomenon with unclear mechanism depending on temperature, micro-organism population, humidity and polymer it-self. In a first hand, these different parameter effects on poly(lactic acid)(PLA) biodegradation are studied with melt viscoelasticity to assess the molecular evolution of the materials during biodegradation. In a second hand, PLA is mixed with a polymer more biodegradable, poly(butylene succinate), to improve PLA biodegradation. After the biodegradation of a compostable polymer, a non biodegradable polymer is studied: polypropylene(PP). To achieve the initiation of its bio-assimilation, fillers are added to promote its degradation and therefore improve its assimilation by micro-organisms. Layered double hydroxides induce degradation but not enough to observe polymer biodegradation.

Les ressources de carbone primaires doivent être progressivement remplacées par des ressources renouvelables plus complexes comme les matières lignocellulosiques, pour produire des biocarburants ou des synthons (bioraffineries de 2ième génération). Cette évolution nécessite de modifications importantes à différentes étapes du procédé, au niveau de la fermentation elle-même ou dans les étapes ultérieures nécessaire pour l'obtention du produit cible. Dans ce travail, nous avons étudié un procédé de production de succinate à partir du xylose. La fermentation a été réalisée en utilisant une souche d' Escherichia coli modifiée par ingénierie métabolique. La purification du succinate a été réalisée par nanofiltration. Des travaux précédents ont permis, par ingénierie métabolique, de mettre au point une souche E. coli KJ122 permettant de produire du succinate par fermentation anaérobie de glucose dans un milieu contenant des sels minéraux. Cette souche ne permet cependant pas une fermentation performante lorsque le xylose est utilisé comme substrat. Afin de lever cette limitation, E. coli KJ122 a été modifiée. Le transporteur ABC codant pour les gènes xylFGH a été inactivé par une technique de suppression de gènes. La souche ainsi obtenue, baptisée KJ12201 (E. coli KJ122 ?xylFGH) a permis d'atteindre des vitesses de croissances rapides, des consommations de xylose et une production de succinate améliorées par rapport à la souche parente. Après modification génétique, E. coli KJ12201-14T permet de produire en mode une concentration élevée de succinate de 84 g/L, la concentration d'acétate accumulée étant de 11 g/L, à partir d'un milieu de composition adaptée (AM1) contenant 10% de xylose. En fermentation fed-batch, E. coli KJ12201-14T permet de produire du succinate à une concentration de 84 g/L, avec un rendement de 0.85 g/g et une productivité de 2 g/L/h. Ces résultats démontrent les potentialités de cette souche pour produire du succinate à partir de xylose ou d'hydrolysats riches en xylose issus de matières lignocellulosiques. La nanofiltration a ensuite été considérée afin de purifier le succinate obtenu par fermentation. Les expériences ont été réalisées avec une membrane NF45 et des milieux de fermentation synthétiques contenant le succinate et différentes impuretés, sels minéraux, glucose ou autres sels d'acides organiques, acétate en particulier. L'influence des conditions opératoires (pH, pression) sur les performances de la NF a été évaluée. Les mécanismes gouvernant le transfert des espèces à travers la membrane ont été étudiés afin d'expliquer la variation des rétentions en fonction de la composition du milieu. En solution simple, les résultats ont montré que la rétention du succinate augmente avec la pression appliquée et avec le pH et diminue lorsque la concentration augmente. Pour des concentrations faibles, de l'ordre de 0.1M, les rétentions du succinate et de l'acétate en mélange sont différentes et identiques à celles en solution simples. Une bonne purification du succinate est ainsi possible. Au contraire, pour des concentrations plus élevées en succinate, la rétention diminue par suite de l'écrantage des effets de charge. Les rétentions étant trop proches, la séparation acétate/succinate devient impossible. Considérant les mécanismes ainsi mis évidence, une méthodologie a été proposée afin de réaliser la purification du succinate obtenu par fermentation. La séparation acétate/succinate est effectuée en deux étapes. Une diafiltration du jus de fermentation, préalablement dilué, est d'abord réalisée en utilisant la membrane NF45. Le rétentat purifié est ensuite concentré, en utilisant une membrane d'osmose inverse. Grace à ce procédé, il est possible d'augmenter la pureté du succinate de 85 à plus de 99.5% avec un rendement global supérieur à 92%. L'intérêt de la nanofiltration pour purifier le succinate produit par fermentation est ainsi démontrée. / Current trend is to move from primary carbohydrate resources to more complex ones like lignocellulosic materials as a bio-renewable feedstock, to produce biofuels or chemical building blocks. This evolution requires significant modifications at different stages in the bioprocess engineering, including fermentation and downstream processes. In this work, the succinate production by a newly metabolically engineered Escherichia coli from xylose, and its purification from fermentative broth by nanofiltration were studied. Escherichia coli KJ122 strain was previously engineered to produce high titers and yields of succinate in mineral salts medium containing glucose under simple-batch anaerobic conditions. However, this strain does not efficiently utilize xylose due to catabolic repression. To improve the xylose uptake and its utilization of E. coli KJ122, xylFGH genes were inactivated by the gene deletion technique. The mutant strain named KJ12201 (E. coli KJ122 ?xylFGH) exhibited high abilities in fast growth, xylose consumption and succinate production compared to those of the parental strains. After performing metabolic evolution, E. coli KJ12201-14T efficiently consumed 10% xylose to produce a high succinate concentration at 84 g/L with an accumulated acetate concentration at 11 g/L in mineral salts medium (AM1) under batch fermentation. During fed-batch fermentation, E. coli KJ12201-14T produced succinate at a concentration, yield, and overall productivity of 84 g/L, 0.85 g/g, and 1.0 g/L/h, respectively. These results demonstrated that E. coli KJ12201 would be a potential strain for the economic bio-based succinate production from xylose and other xylose-rich hydrolysates derived from lignocellulosic materials. The succinate purification from fermentation broth by nanofiltration (NF) was also investigated. The experiment was carried out with a NF45 membrane and various synthetic fermentation broths containing succinate salt and different impurities such as inorganic salts, glucose, and other organic acid salts including acetate. The influence of the operating conditions (pH, pressure) as well as the broth composition on the NF performances was evaluated. The mechanisms governing the transfer of the solutes through the membrane were studied in order to explain the different solute retentions observed according to the fermentation broth composition. In single-solute solutions, the succinate retention increases with increasing pressure and feed pH and decreases with increasing feed concentration. For instance, at a low salts concentration at 0.1 M, it was observed that the retentions of succinate and acetate in the mixture are identical to those in single solutions. Thus, a good purification of succinate can be obtained. On the contrary, with higher succinate concentrations, the retention was decreased due to the screening effect. Retentions of those solutes were then too close to achieve a separation. Based on abovementioned mechanisms observed, a methodology was proposed to perform the succinate purification from fermentation broth. The succinate/acetate separation was carried out in two steps. A diafiltration of the diluted fermentation broth was initially performed, and the concentration step followed. With this process, it was possible to increase the succinate purity from 85% to more than 99.5% while maintaining a total yield higher than 92%. From this work, it was shown that NF could be effectively used for the succinate purification from fermentation broth.