Cette étude vise à étudier l'effet de la composition de substrats organiques solides sur les performances de production d'hydrogène, les voies métaboliques associées et les changements des communautés microbiennes dans un réacteur discontinu (sCSTR). L'hydrogène est un vecteur énergétique idéal qui a gagné en intérêt scientifique au cours de la dernière décennie. L'H2 produit par voie biologique, ou biohydrogène, peut être produit par des procédés de fermentation sombre où les déchets organiques sont traités et avec la production de molécules à haute valeur ajoutée. Cependant, l'effet de la composition des déchets organiques solides sur la production de biohydrogène dans la fermentation sombre n'a pas encore été clairement élucidé. Au cours de cette étude, une revue bibliographique a été réalisée sur la production d'hydrogène à partir de déchets agricoles. Cette revue montre qu'une large gamme de performances en hydrogène peut être observée principalement en raison de la variabilité dans les compositions en même type de substrats et des conditions expérimentales appliquées. Après avoir optimisé un protocole de test de potentiel biohydrogène (BHP), une grande variété de substrats organiques solides visant à couvrir un grand panel de déchets a été testée pour fournir des données comparables à analyser. Les résultats d'une régression PLS ont montré que seuls les sucres solubles ou facilement disponibles éteint corrélaient avec la production d'hydrogène. En outre, les rendements d'hydrogène corrélaient aussi bien avec l'accumulation de butyrate, principale voie productrice de bioH2. Un modèle prédictif du rendement en hydrogène en fonction de la teneur en sucres a été proposé. Ensuite, des expériences ont été menées en réacteur semi-continu (sCSTR) avec le topinambour comme substrat solide. Il a été montré qu'une faible charge organique favorisait une production continue d'hydrogène tandis que l'accroissement de la charge organique introduisait la présence de voies concurrentes à la production d'hydrogène. De plus, les profils des empreintes moléculaires basées sur l'ADNr 16s ont montré que l'augmentation de la charge organique avait un impact significatif sur la diversité microbienne en favorisant l'implantation de microorganismes ne produisant pas d'hydrogène tels que des bactéries lactiques. / This study aims to investigate the effect of solid substrates composition on hydrogen production performances, metabolic pathways and microbial community changes in batch reactor and their dynamics in semi continuous reactors (sCSTR). Hydrogen is an ideal energy carrier which has gained scientific interest over the past decade. Biological H2, so-called biohydrogen, can especially be produced by dark fermentation processes concomitantly with value-added molecules (i.e. metabolic end-products), while organic waste is treated. However, the effect of solid organic waste composition on biohydrogen production in dark fermentation has not yet been clearly elucidated. In this study, a bibliographic review was made on hydrogen production from agricultural waste. This survey on literature showed that diverse performances were reported on hydrogen production due to the variability in substrate compositions and experimental conditions. After having optimized a protocol of biohydrogen potential test (BHP), a wide variety of organic solid substrates aiming to covering a large range of solid waste was tested to provide a comparable data analysis. The results of a PLS regression showed that only soluble carbohydrates or easily available carbohydrates correlated with hydrogen production. Furthermore, hydrogen yields correlated as well with butyrate H2-producing pathway which is consistent with the literature knowledge. A predictive model of hydrogen yield according to carbohydrate content was proposed. Then, experiments were carried out in sCSTR with Jerusalem artichoke tubers as a case study. It was shown that low organic loading rate favored continuous hydrogen production while higher organic loading introduced hydrogen competition pathways and decreased the overall hydrogen yields. Moereover, 16S rRNA gene based CE-SSCP profiles showed that increasing OLR had a significant effect on the microbial diversity by favoring the implementation of microorganisms not producing hydrogen, i.e. lactic acid bacteria.

Dans le futur, différentes sources d'énergies renouvelables comme les énergies de seconde génération produites à partir de déchets lignocellulosiques seront nécessaires pour palier à l'épuisement des énergies fossiles. Parmi ces énergies de seconde génération, le biohydrogène, le méthane et l'hythane produits à partir de procédés fermentaires anaérobies représentent des alternatives prometteuses. Cependant la production de biohydrogène et de méthane à partir de résidus lignocellulosiques est limitée par leurs structures récalcitrantes et une étape de prétraitement en amont des procédés fermentaires est souvent nécessaire. Ce travail a pour but d'étudier l'impact des facteurs biochimiques et structurels des résidus lignocellulosiques sur les performances de production d'hydrogène et de méthane, pour pouvoir par la suite développer des stratégies de prétaitements adaptées. Tout d'abord, sur un panel de vingt substrats lignocellulosiques, les potentiels hydrogène et méthane ont été corrélés aux paramètres biochimiques et structurels. Les résultats ont mis en évidence que le potentiel hydrogène est uniquement corrélé positivement à la teneur en sucres solubles. La production de méthane quant à elle est négativement corrélée à la teneur en lignine et, à un moindre degré, à la cristallinité de la cellulose, mais positivement à la teneur en sucres solubles, holocelluloses amorphes et protéines. Par la suite, des stratégies de prétraitements ont été établies pour améliorer la production d'hydrogène et de méthane. Le couplage prétaitements alcalins/enzymatique ainsi que les prétraitements à l'acide dilué, efficaces pour solubiliser les holocelluloses en sucres solubles ont été appliqués en amont de la production d'hydrogène. En combinant le pretraitement alcalin avec une hydrolyse enzymatique, le potentiel hydrogène des tiges de tournesol fut multiplié par quinze. En revanche, suite aux prétraitements acides, la production d'hydrogène fut inhibée à cause de la libération de sous-produits (furfural, 5-HMF et composés phénoliques) engendrant un changement d'espèces bactériennes vers des espèces non productrices d'hydrogène. Pour la production de méthane, cinq prétraitements thermo-chimiques (NaOH, H2O2, Ca(OH)2, HCl and FeCl3) efficaces pour délignifier ou solubiliser les holocelluloses ont été étudiés. Parmi ces prétraitements, la meilleure condition fut 55°C à une concentration de 4% NaOH pendant 24 h, résulant en une augmentation du potentiel méthane variant de 29 à 44 % en fonction des tiges de tournesol. Cette condition fut par la suite validée en réacteurs anaérobies continusavec une augmentation de 26.5% de la production de méthane. Un procédé à deux étages couplant la production d'hydrogène en batch suivi de la production de méthane en continu fut aussi étudié. Néanmoins, aucune différence significative en termes d'énergie produite ne fut observée entre les procédés à deux étages (H2/CH4) et à un étage (CH4). / In the future, various forms of renewable energy, such as second generation biofuels from lignocellulosic residues, will be required to replace fossil fuels. Among these, biohydrogen and methane produced through fermentative processes appear as interesting candidates. However, biohydrogen and/or methane production of lignocellulosic residues is often limited by the recalcitrant structure and a pretreatment step prior to fermentative processes is often required. Up to date, informations on lignocellulosic characteristics limiting both hydrogen and methane production are limited.Therefore, this work aims to investigate the effect of compositional and structural features of lignocellulosic residues on biohydrogen and methane performances for further developping appropriate pretreatments strategies. Firstly, a panel of twenty lignocellulosic residues was used to correlate both hydrogen and methane potentials with the compositional and structural characteristics. The results showed that hydrogen potential positively correlated with soluble carbohydrates only. Secondly, methane potential correlated negatively with lignin content and, in a lesser extent, with crystalline cellulose, but positively with the soluble carbohydrates, amorphous holocelluloses and protein contents. Pretreatments strategies were further developed to enhance both hydrogen and methane production of sunflower stalks. Dilute-acid and combined alkaline-enzymatic pretreatments, which were found efficient in solubilizing holocelluloses into soluble carbohydrates, were applied prior to biohydrogen potential tests. By combined alkaline-enzymatic pretreatment, hydrogen potential was fifteen times more than that of untreated samples. On the contrary, hydrogen production was inhibited after dilute-acid pretreatments due to the release of byproducts (furfural, 5-HMF and phenolic compounds) that led to microbial communities shift toward no hydrogen producing bacteria. Similarly, methane production, five thermo-chemical pretreatments (NaOH, H2O2, Ca(OH)2, HCl and FeCl3) found efficient in delignification or solubilization of holocelluloses, were considered. Among these pretreatments, the best conditions were 55°C with 4% NaOH for 24 h and led to an increase of 29-44 % in methane potential of sunflower stalks. This pretreatment condition was validated in one stage anaerobic mesophilic continuous digester for methane production and was found efficient to enhance from 26.5% the total energy produced compared to one stage-CH4 alone. Two-stage H2 (batch) / CH4 (continuous) process was also investigated. Nevertheless, in term of energy produced, no significant differences were observed between one-stage CH4 and two-stage H2 /CH4.