Dans le contexte de la bioéconomie, la découverte et la caractérisation des enzymes capables de dégrader la paroi végétale est particulièrement intéressante pour l’utilisation de la biomasse lignocellulosique dans l’industrie. A cet égard, la métagénomique fonctionnelle est un outil puissantpour découvrir de nouvelles enzymes à partir d’écosystèmes microbiens variés, comme l’illustrent les travaux sur le tube digestif du termite Pseudacanthotermes militaris. Cette étude a fourni une mine d’informations et identifié un hypothétique locus d’utilisation du xylane (XUS), codant pour cinq glycosides hydrolases (GH) et une carbohydrate esterase (CE) de Bacteroidales.Le XUS du métagénome de Pseudacanthotermes militaris contient une xylanase de la famille GH10 qui possède une organisation modulaire complexe dans laquelle la séquence du domaine GH10 est interrompue par une insertion de deux carbohydrate binding modules (CBM). Des travaux préliminaires ont montré que cette enzyme modulaire, désignée Pm25, est active sur xylane. Par conséquent, un des objectifs de cette étude a été la caractérisation détaillée des propriétés biochimiques et catalytiques de Pm25. Le rôle des CBM a également été examiné en quantifiant les interactions protéines-sucres et permettant ainsi une meilleure compréhension du rôle spécifique de ces modules, les résultats obtenus permettent de cerner l’impact de la modularité de Pm25 sur ses propriétés fonctionnelles.Dans une deuxième partie de l’étude, nous avons entrepris d’étudier la fonction de Pm25 dans le contexte du cluster XUS. Pour ce faire, nous avons étudié les enzymes adjacentes à Pm25 sur le locus,une autre GH10, une GH11, une GH115 et une GH43. La comparaison des paramètres cinétiques et une étude détaillée des produits d’hydrolyse ont été analysés par spectrométrie de masse et ont révélé que la GH10 et la GH11 étaient les enzymes clefs de la dépolymérisation en étant 20 fois plus efficaces que Pm25. En parallèle, nous avons développé un protocole pour l’utilisation de la micro-thermophorèse (MST) pour quantifier les interactions CBM-sucres, une approche intéressante qui nécessite peut d’échantillon et de ligand contrairement à d’autres méthodes biophysiques. Dans l’ensemble, cette étude a révélé le rôle important de Pm25 et ses homologues dans les locus d’utilisation des xylanes chez les Bacteroidetes et a permis d’identifié le sens de cette architecture particulière. / In the context of bioeconomy, the discovery and study of plant-cell wall degrading enzymes is particularly relevant for the use of lignocellulosic biomass for industrial purposes. In this respect, functional metagenomics has proven to be a powerful tool to discover new enzymes from a variety of microbial ecosystems, as exemplified by work performed on the gut of the termite Pseudacanthotermes militaris. This study provided a wealth of information and identified an interesting hypothetical xylan utilization system, encoding five glycoside hydrolases (GH) and one carbohydrate esterase (CE) annotated from bacteroidales. The Pseudacanthotermes militaris-derived putative XUS cluster contains a GH10 xylanase that displays a quite complex modular arrangement wherein the GH10 catalytic module contains two insertional carbohydrate binding modules (CBM). During the preliminary work, this modular enzyme, designated Pm25, was shown to be active on xylan, thus in the present research we set out to more thoroughly characterize its biochemical and catalytic properties.The role of the CBM was also investigated, quantifying protein-carbohydrate interactions and thus providing better insight into the specific role of the modules. Taken together, the results obtained provide insight into how Pm25 modularity translates into functional properties. In second part of our study, we set out investigate the function of Pm25 in the context of the XUS cluster. To achieve this we studied a xylan utilization system, which is constituted by another GH10, GH11, GH115 and GH43. The comparison of kinetic parameters and a detailed end product analysis by mass spectrometry showed that GH10 and GH11 outweigh over 20 fold Pm25 catalytic efficiency. In parallel, we developed the use of MicroScale Thermophoresis (MST) to quantify CBM-carbohydrates interactions, an interesting approach requiring smaller concentration of proteinsand ligands compared to other biophysical methods. Overall this study highlighted the important role of Pm25 homologs in the xylan utilization system in Bacteroidetes, and pinpointed the meaning of its unusual architecture.

La méthanisation est un processus biologique de transformation des matières organiques libérant principalement du méthane et du dioxyde de carbone. Cette technologie connaît un essor important pour la production de biométhane, source d’énergie renouvelable. Elle présente cependant des rendements de dégradation faibles lorsque de la biomasse lignocellulosique est utilisée comme matière première. Pour optimiser son rendement, la paille de blé a été sélectionnée comme biomasse représentative et l’impact sur la méthanisation de chacune des fractions (extractibles, hémicelluloses, cellulose et lignine) a été évalué. Une biomasse de synthèse a été construiteà partir des constituants pures de la paille de blé afin d’évaluer l’impact des interactions lignine-holocellulose. Le potentiel de méthanisation de différentes molécules phénoliques,provenant de la dégradation de la lignine, a été déterminé. Elles inhibent la méthanisation à l’exception de trois d’entres elles qui présentent un rendement de méthanisation élevé : les acides vanillique, l’acide férulique et le syringaldéhyde. Différents prétraitements physique (le chauffage par échangeur thermique ou par irradiation aux micro-ondes ainsi que la sonication et le raffinage papetier) et chimique (la soude, l’ammoniaque et l’ozone) ont ensuite été sélectionnés, et leurs impacts sur lacomposition de la paille et sa méthanisation ont été mesurés. Les meilleurs rendements de méthanisation ont été obtenus suite à l’exposition aux micro-ondes en présence de soude. / Methanization or anaerobic digestion is a biological process to transform organicmatter into a gas mixture composed by a majority of methane and carbon dioxide. Thistechnology is developing rapidly for the production of biomethane as renewable energysource. However this biotechnological route has low performances when lignocellulosicbiomass is used as raw material.Wheat straw has been chosen as typical biomass and the role of each lignocellulosicfraction (extractives, cellulose, hemicelluloses and lignin) has been determined on theperformance of anaerobic digestion. A synthetic biomass has been built with different pureconstituents of the wheat straw to assess the impact of holocellulose-lignin interactions onmethanization. Then methane potential of various lignin degradation products (phenolicmolecules) has been studied. Majority of them have been shown an inhibitory effect butthree of them have been converted to methane: ferulic and vanillic acids andsyringaldehyde.Various physical pretreatments (heating, microwave irradiation, sonication andrefining) and chemical pretreatments (sodium hydroxide, ammonia and ozone) have beenselected to prepare the biomass to anaerobic digestion and their impacts on wheat strawcomposition have been evaluated. The best methanization yield has been obtained afterpretreatments by sodium hydroxide heating by microwave irradiation.

La carbonisation hydrothermale transforme les déchets municipaux (copeaux de bois, boues d'épuration, bagasse, feuilles…) en un produit solide appelé bio-charbon. Le produit hydrothermal connu sous le nom hydrochar est fréquemment utilisé comme carburant ou engrais, mais aussi il pourrait être converti en un produit à haute valeur ajoutée, à savoir le charbon actif. L‘objectif principal de cette thèse est d‘étudier la transformation de grignon d‘olive, précurseur lignocellulosique largement disponible en Tunisie et en pays méditerranéen, en hydrochar et en charbon actif. Dans cette étude, un réacteur discontinu de laboratoire a été conçu et construit. Les grignons d‘olive transformés en hydrochar ont été préparés à différentes sévérités et avec addition de sels, acide et ammoniac. Les hydrochars ont été caractérisés par plusieurs méthodes d‘analyse. L‘eau de traitement de la carbonisation hydrothermale a été analysée et les résultats montrent qu‘elle contient des composants à haute valeur ajoutée comme le furfural et le 5-HMF. Les charbons actifs ont été préparés à partir du hydrochar suivant des voies d‘activation physique (à l‘aide de l‘agent d‘activation CO2) et voies d‘activation chimique (par l‘agent d‘activation KOH). Les matériaux obtenus ont une surface spécifique élevée (1400 m2g-1) et aussi une chimie de surface riche en groupe fonctionnel. Les performances de ces charbons actifs dans l‘adsorption de molécules pharmaceutiques en phase liquide et de l‘hydrogène en phase gazeuse ont été examinées. Des capacités intéressantes ont été relevées pour les deux applications / Hydrothermal carbonization process uses green waste from municipalities (Wood chips, sewage sludge, bagasse, leaves …) to produce solid bio-coal. The solid HTC product known as hydrochar commonly used as a fuel or fertilizer but it could be converted also into high- value products like activated carbon. The principal purpose of this thesis is to study the conversion of olive stones, widely available lignocellulosic biomass in Tunisia and Mediterranean country, into hydrochar and then activated carbon. In this study, a laboratory scale batch reactor has been designed and built. The hydrothermally carbonized olive stones were prepared at different reaction severity and with addition of salts, acid or ammonia. All prepared hydrochar are characterized by different analysis methods. The HTC water was also analyzed and the results show that HTC-liquid contains high added value components such as furfural and 5-HMF. The hydrothermally carbonized olive stones were activated by both physical activation, using CO2 and chemical activation, using KOH. The materials had high surface area (as high as 1400 m2 g-1) and rich surface chemistry. The potential for pharmaceuticals (Ibuprofen and Metronidazole) and hydrogen adsorption were assessed for HTC-activated carbon and they showed good performance in both application

Cette thèse s’articule autour de la valorisation de la biomasse lignocellulosique pour la production d’un polymère biosourcé, le poly(acide lactique) PLA. Lors d’une première étude, deux prétraitements de la biomasse lignocellulosique ont été réalisés pour libérer les sucres fermentescibles. Puis plusieurs stratégies de fermentations ont été mises en place et un criblage microorganisme / biomasse a été réalisé en vue de sélectionner la meilleure stratégie de fermentation et le meilleur couple biomasse / microorganisme pour la production d’acide lactique. Les bactéries lactiques, Lactobacillus casei et Lactobacillus delbrueckii et le son de blé ont été retenus pour produire l’acide lactique lors d’une fermentation en milieu liquide sur l’hydrolysat produit par une hydrolyse à l’acide dilué du son de blé. Lors d’une seconde étude, la stratégie choisie a été optimisée et a subi un « scale-up » afin d’augmenter la concentration en acide lactique. Les fermentations en milieu liquide ont été effectuées au sein d’un bioréacteur afin de contrôler les paramètres de croissance bactérienne et de production d’acide lactique (pH, pO2, agitation, production d’acide lactique). Puis une purification de l’acide lactique a été menée par chromatographie échangeuse d’ions. Cette technique a été réalisée en deux étapes clés utilisant successivement une colonne cationique forte et une colonne anionique faible. L’acide lactique purifié a été polymérisé par ouverture de cycle (ROP). Durant toutes ces recherches, la chimie verte a été mise au premier plan d’une part par le sujet de l’étude (valorisation de la biomasse végétale) mais aussi d’autre part par le choix des méthodes employées (pas de solvants, peu de produits chimiques, méthodes propres, économiques et renouvelables). / This thesis is articulated around the lignocellulosic biomass valorization to develop a fully sustainable, green and cheap route of PLA production. During a first study, two pretreatments have been realized on the lignocellulosic biomass in order to release the fermentable sugars. Several fermentations strategies have been considered and a screening of the couples microorganisms / biomasses has been performed in order to select the best strategy and the best couple microorganism / biomass for lactic acid production. The lactic acid bacteria, Lactobacillus casei and Lactobacillus delbrueckii and wheat bran have been selected to produce lactic acid via a liquid state fermentation on the acid hydrolysate obtained thanks to a diluted acid pretreatment on the wheat bran. During a second study, the chosen strategy has been optimized and scaled-up in order to increase the lactic acid concentration. Liquid state fermentations have been made in a bioreactor in order to control parameter needed for the optimal growth and consequently the optimal lactic acid production (pH, pO2, agitation, acid lactic production). Then, the lactic acid purification has been performed by ion exchange chromatography. This technic was made in two key steps using a strong cationic column and a weak anionic column successively. Finally, the purified lactic acid was then polymerized by ring opening polymerization (ROP). During all the researches, the green chemistry has been placed in the first plan in one hand by the choice of the topic of the study (biomass valorization) and in a second hand by the choice of each employed method (no solvent; few chemical products; sustainable, cheap and green methods).

Une technologie prometteuse pour répondre à la demande croissante en énergie renouvelable est la gazéification de biomasse lignocellulosique pour la production de biocarburants de deuxième génération. Ce procédé nécessite une alimentation en biomasse sous forme de poudre. Les problèmes de convoyage et de manipulation liés à la faible coulabilité de la biomasse broyée sont un verrou pour l’industrialisation des procédés BtL. La torréfaction comme procédé de prétraitement, en plus d'augmenter densité énergétique de la biomasse, peut influencer également les propriétés des particules obtenues après broyage, et en conséquence, l’écoulement des poudres. L'évaluation de l'écoulement des poudres de biomasse sous différentes conditions de consolidation est essentielle pour concevoir des technologies de manipulation et de convoyage efficaces.L'objectif de ce travail est d'évaluer l'effet des conditions de torréfaction et de broyage sur l’écoulement de poudres de biomasse. Une première partie consiste en une étude expérimentale dans laquelle la coulabilité d'échantillons torréfiés sous différentes intensités a été évaluée à l'aide d'un appareil de cisaillement annulaire. La coulabilité est corrélée à l'intensité de la torréfaction (mesurée par la perte de masse globale) pour deux essences différentes. La forme des particules semble être le paramètre qui influence de manière prédominante la coulabilité des poudres à l'état consolidé. La caractérisation de la coulabilité à l’état non consolidée a été effectuée à l'aide d'un tambour rotatif par l’analyse des avalanches des poudres. Des corrélations entre les caractéristiques des particules et la coulabilité sont ainsi établies. La modélisation de l'écoulement de la biomasse à l'aide de la Méthode des Éléments Discrets (DEM) constitue une deuxième partie de cette recherche. La taille submillimétrique des particules de biomasse, ainsi que leur faible densité, leur forme allongée et leur comportement cohésif sont des défis pour l’implémentation d’un modèle de réaliste d’écoulement particulaire en DEM. Un modèle DEM des particules de biomasse est mis en œuvre à l'aide d'une représentation simplifiée (assemblement de sphères) à gros grains de la forme des particules, ainsi que d'un modèle de force cohésif. Une procédure systématique de calibration des paramètres DEM permet d'obtenir un ensemble de paramètres ajustés. L'évolution expérimentale des contraintes de cisaillement d’une poudre dans un état consolidé peut alors être reproduite de façon réaliste. De même, le comportement d’avalanche des poudres dans un tambour tournant est également bien reproduit par les simulations, de façon qualitative et quantitative. Ces résultats mettent en évidence le potentiel des simulations DEM pour étudier l'effet des caractéristiques des particules, qui sont influencées par la torréfaction et les conditions de broyage, sur le comportement d'écoulement de la biomasse en poudre. / Gasification of lignocellulosic biomass for production of second-generation biofuels is a promising technology to meet renewable energy needs. However, feeding and handling problems related to the poor flowability of milled biomass considerably hinder the industrial implementation of Biomass-to-Liquid processes. Torrefaction as pretreatment step, in addition to improving energy density of biomass, also affects the properties of the milled particles (namely size and shape) that significantly influence flow behavior. The evaluation of biomass flow characteristics under different flow conditions is essential to design efficient and trouble-free handling solutions.The aim of this work is to assess the effect of the torrefaction and grinding conditions on the biomass flow behavior. A first part consists of an experimental study in which the flow properties of samples torrefied under different intensities were obtained using a ring shear tester. Flowability is correlated to the intensity of torrefaction, as measured by the global mass loss, for two different wood species. Particle shape seems to be the predominant parameter influencing flowability of powders in a consolidated state. Characterization of non-consolidated flowability through avalanching analysis using an in-house rotating drum was also conducted. Correlations between particle characteristics and flow behavior are thus established.The modelling of biomass flow using the Discrete Element Method (DEM) constitutes a second major part of this research. Challenging aspects of biomass particle modeling are their submillimetric size, low density, elongated shape and cohesive behavior. A material DEM model is implemented using a simplified (multisphere) upscaled representation of particle shape, along with a cohesive contact model. A systematic calibration procedure results in an optimal set of DEM parameters. The experimental shear stress evolution and yield locus can then be realistically reproduced. The avalanching behavior of the powders is also well captured by simulations, both qualitatively and quantitatively. These results highlight the potential of DEM simulations to investigate the effect of particle characteristics, which are driven by torrefaction and grinding conditions, on the flow behavior of powdered biomass.

Ce travail porte sur l'étude des voies réactionnelles accompagnant la liquéfaction desconstituants de la biomasse lignocellulosique dans un milieu aqueux proche du pointcritique. La stratégie expérimentale consiste à étudier la réaction en unité pilote decomposés lignocellulosiques modèles et à développer une approche analytiquemultitechnique originale afin de caractériser les structures et les masses moléculairesdes produits. Les résultats obtenus montrent que les schémas réactionnels sontcomplexes faisant intervenir de nombreuses voies de fragmentation et de condensationcompétitives. L'étude cinétique à différents temps de séjour montre que la fractionglucidique de la biomasse lignocellulosique a une réactivité très différente de sa fractionligneuse. / This work deals with the study of the reaction pathway during the lignocellulosicconstituent liquefaction by water near its critical point. Experimental method consists ininvestigation of lignocellulosic model compounds conversion in pilot plant combined withdevelopment of a new multitechnique analytical approach in order to characterizeproduct chemical structures and molecular weights. Results show that reaction pathwaysare very complex consisting to several fragmentation and condensation competitivereactions. The kinetic study with different reaction times reveals an important differenceof comportment for the glucidic fraction than the lignin fraction of biomass.

La création de nouvelles enzymes pour l’hydrolyse de la biomasse est une stratégie clé pour ledéveloppement du bioraffinage. Dans ce contexte, les xylanases de la famille GH11 sont déjàdéployées dans de nombreux procédés industriels et donc bien positionnées pour jouer un rôleimportant dans ces procédés. La cible de cette étude, la xylanase GH11 (Tx-Xyl) de la bactérieThermobacillus xylanilyticus, est une enzyme thermostable et donc une bonne candidate pour destravaux d’ingénierie visant l’amélioration de son activité sur des substrats ligno-cellulosiques.Dans cette étude, deux stratégies d’ingénierie des enzymes ont été employées afin d’obtenir denouvelles informations portants sur les relations structure-fonction au sein de Tx-Xyl. La premièrestratégie a consisté en l’utilisation d’une approche de mutagenèse aléatoire, couplée à l’emploi deméthodes de recombinaison in vitro. Ces travaux avaient pour objectif d’améliorer la capacitéhydrolytique de Tx-Xyl sur la paille de blé. La deuxième stratégie mise en oeuvre s’est appuyée surune approche semi-rationnelle visant la création d’une enzyme chimérique, qui bénéficierait d’uneamélioration des interactions enzyme-substrat au niveau du sous-site -3.Le premier résultat majeur de cette thèse concerne le développement d’une méthode de criblagequi permet l’analyse à haut débit de banques de mutants pour la détection de variants quiprésentent une activité hydrolytique accrue directement sur paille de blé. A l’aide de ce crible, nousavons pu analyser plusieurs banques de mutants, représentant un total de six générations demutants, et identifier une série de combinaisons de mutations différentes. D’un côté, un variant,comportant deux mutations silencieuses, permet une meilleure expression de Tx-Xyl, alors qued’autres enzymes mutées présentent des modifications intrinsèques de leurs aptitudes catalytiques.Comparés à l’enzyme parentale Tx-Xyl, certains mutants solubilisent davantage les arabinoxylanes dela paille et, lorsqu’ils sont déployés avec un cocktail de cellulases, participent à une réactionsynergique qui permet un accroissement du rendement des pentoses et du glucose libérés.A l’aide d’une approche semi-rationnelle, une séquence de 17 acides aminés en provenance d’unexylanase GH11 fongique a été ajoutée à l’extrémité N-terminale de Tx-Xyl, afin de créer de nouveauxbrins β. L’enzyme chimérique a pu être exprimée avec succès et caractérisée. Néanmoins, l’analysede ses propriétés catalytiques a révélé que celle-ci ne présente pas davantage d’interactions avec sonsubstrat dans le sous-site -3, mais les résultats obtenus fournissent de nombreux renseignements surles relations structure-fonction au sein de l’enzyme. De plus, ces travaux nous permettent depostuler que Tx-Xyl posséderait un site de fixation secondaire pour les xylanes, un élement jusqu’iciinsoupçonné dans cette enzyme. Par ailleurs, l’analyse de nos résultats nous permet de proposer uneexplication rationnelle pour l’échec de notre stratégie initiale / Engineering new and powerful enzymes for biomass hydrolysis is one area that will facilitate thefuture development of biorefining. In this respect, xylanases from family GH11 are already importantindustrial biocatalysts that can contribute to 2nd generation biorefining. The target of this study, theGH11 xylanase (Tx-Xyl) from Thermobacillus xylanilyticus is thermostable, and is thus an interestingtarget for enzyme engineering, aiming at increasing its specific activity on lignocellulosic biomass,such as wheat straw. Nevertheless, the action of xylanases on complex biomass is not yet wellunderstood, and thus the use of a rational engineering approach is not really feasible.In this doctoral study, to gain new insight into structure-function relationships, two enzymeengineering strategies have been deployed. The first concerns the development of a randommutagenesis and in vitro DNA shuffling approach, which was used in order to improve the hydrolyticpotency of Tx-Xyl on wheat straw, while the second strategy consisted in the creation of a chimericenzyme, with the aim of probing and improving -3 subsite binding, and ultimately improvinghydrolytic activity.The first key results that has been obtained is the development of a novel high-throughputscreening method, which was devised in order to reliably pinpoint mutants that can better hydrolyzewheat straw. Using this screening method, several generations of mutant libraries have beenanalyzed and a series of improved enzyme variants have been identified. One mutant, bearing silentmutations, actually leads to higher gene expression, while others have intrinsically altered catalyticproperties. Testing of mutants has shown that some of the enzyme variants can improve thesolubilization of wheat straw arabinoxylans and can work in synergy with cellulose cocktails torelease both pentose sugars and glucose.Using a semi-rational approach, 17 amino acids have been added to the N-terminal of Tx-Xyl, withthe aim of adding two extra β-strands coming from a GH11 fungal xylanase. A chimeric enzyme hasbeen successfully expressed and purified and its catalytic properties have been investigated.Although this approach has failed to create increased -3 subsite binding, the data presented revealsimportant information on structure-function relationships and suggest that Tx-Xyl may possess ahitherto unknown secondary substrate binding site. Moreover, a rational explanation for the failureof the original strategy is proposed.

La conversion de la biomasse lignocellulosique en biocarburants et molécules biosourcées produit des matrices liquides complexes thermosensibles qui couvrent une large gamme de polarités et de masses moléculaires. Les outils analytiques développés dans la littérature donnent une description partielle de ces matrices oxygénées. Pour en comprendre la réactivité et mieux guider le développement des procédés de conversion, une meilleure caractérisation est nécessaire. L’objectif de cette thèse est de démontrer l’apport d’une dimension de fractionnement pertinente en amont de techniques séparatives pour accéder à la caractérisation à l’échelle moléculaire d’échantillons ex-biomasse. Une déformulation complète et structurée par familles chimiques est visée, sans perte ni modification des composés. Deux voies de fractionnement ont été investiguées : (1) fractionnement par solubilité à l’aide de l’extraction liquide-liquide (LLE) et de la chromatographie de partage centrifuge (CPC) et (2) fractionnement par taille avec la chromatographie d’exclusion stérique (SEC). Ces techniques se veulent complémentaires à une analyse par chromatographie liquide à polarité de phase inversée avec détection par spectroscopie ultraviolet-visible et spectrométrie de masse haute résolution (RPLC-UV/HRMS). Des méthodes de fractionnement LLE, CPC et SEC ont été développées sur molécules modèles afin d’identifier les mécanismes et la sélectivité chimique mis en jeu. Des cartographies 2D inédites ont ainsi été obtenues, assurant un gain important en pouvoir résolutif et une structuration nouvelle des chromatogrammes en comparaison à l’approche RPLC-UV/HRMS. Dans un second temps, le potentiel des couplages SECxRPLC-UV/HRMS et CPCxRPLC-UV/HRMS pour la description de matrices complexes a été illustré via l’étude de deux échantillons issus d’expérimentations en unités pilotes et de compositions chimiques très différentes, représentant deux voies possibles de transformation (biochimique et thermochimique) de biomasse lignocellulosique. La complémentarité entre les approches de séparation mises au point a ainsi permis de doubler le nombre de pics détectés tout en bénéficiant de l’organisation chimique des composés. Cette aide précieuse à l’identification a été renforcée par les informations structurales délivrées via les différents modes de détection, en particulier l’HRMS. La compréhension de la structuration des cartographies 2D a été présentée et discutée afin de proposer la stratégie la plus adaptée pour déformuler complètement un échantillon en s’appuyant sur la mesure de descripteurs pertinents. Enfin, l’une des approches développée dans cette thèse a été mise en œuvre pour l’isolement sélectif et l’élucidation structurale de molécules clefs au sein d’une matrice complexe à l’aide d’expériences en fragmentation MS et spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) / The conversion of lignocellulosic biomass into biofuels and biosourced molecules produces complex thermosensitive liquid matrices which cover a wide range of polarity and molecular weight. Analytical tools developed in the literature only give a partial description of these oxygenated matrices. To understand the reactivity of these samples and optimize the development of conversion processes, a better characterization is required. The objective of this thesis is to demonstrate the interest of a relevant fractionation step prior to separation techniques to help the molecular characterization of biomass samples. The reverse engineering proposed for the sample is desired complete and chemically controlled (without loss or sample modification). Two fractionation pathways were investigated: (1) solubility fractionation with liquid-liquid extraction (LLE) and centrifugal partition chromatography (CPC) and (2) size fractionation with size exclusion chromatography (SEC). These techniques intend to be complementary to reversed-phase liquid chromatography hyphenated to ultraviolet-visible spectroscopy detection and high resolution mass spectrometry (RPLC-UV/HRMS). LLE, CPC and SEC methods were developed on model molecules to understand mechanisms involved and control the chemical selectivity. 2D contour plots were obtained, improving the resolving power and structuring chromatograms in comparison with RPLC-UV/HRMS. Then, SECxRPLC-UV/MS and CPCxRPLC-UV/MS hyphenations were applied to describe two complex samples from different substrates produced on experimental pilot units from two possible conversion pathways of lignocellulosic biomass (biochemical and thermochemical). The complementarity of separation modes allows to double the number of peaks detected, benefiting from the chemical organization of compounds. This constitute a support to identification also enhanced by multi-detection which provide additional structural information on compound detected, especially HRMS. Chemical organization in 2D contour plots were presented and discussed to propose the most adapted strategy to fully fractionate a sample based on the measurement of relevant descriptors. Finally, one of the fractionation approach developed in this thesis was used to isolate and structurally elucidate key molecules of a complex sample through MS fragmentation experiments and nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR)

L'objectif de la thèse est d'étudier la transformation de la fraction cellulosique de la biomasse en acide lévulinique. Cet acide est une molécule plateforme permettant un accès à de multiples produits, tels que des solvants, des monomères ou encore des molécules à plus forte valeur ajoutée.Nous proposons d'étudier la transformation de la cellulose en acide lévulinique catalysée par des solutions aqueuses concentrées en acides de Brønsted. La forte acidité de ces milieux et leur capacité à rompre les liaisons hydrogène de la cellulose rendent possible des réactions à température modérée (80°C), ce qui laisse espérer la production sélective d'acide lévulinique.L'état de l'art concernant la production d'acide lévulinique à partir de glucose ou de cellulose est d’abord présenté, ainsi qu’une étude bibliographique sur les techniques permettant la mesure d’acidité de milieux concentrés.La caractérisation de l’acidité des milieux semblant être un point clé pour contrôler la réaction, la seconde partie concernera les mesures d’acidité des milieux concentrés utilisés. La méthodologie expérimentale pour identifier et quantifier les produits de réaction de la cellulose ainsi que les paramètres critiques qui la régissent sont ensuite détaillés.Enfin l’étude s’achèvera par deux chapitres traitant de la transformation du glucose ou la cellulose en acide lévulinique dans des milieux comportant une forte acidité de Brønsted combinée, ou non, avec des sels métalliques. La transformation du glucose conduit à des sélectivités en acide lévulinique de 50 mol% dans l’acide sulfurique 65 % et supérieures à 70 mol% dans l'acide sulfurique 48 % en présence de chlorure d'aluminium hydraté. La transformation de la cellulose conduit à des sélectivités en acide lévulinique d'environ 43 mol% dans les milieux acides de Brønsted concentrés et 60 mol% lorsque des sels métalliques sont ajoutés. De telles sélectivités en acide lévulinique n'ont jamais été décrites dans les milieux concentrés. / The thesis presented in this document aims at converting lignocellulosic biomass into levulinic acid. This target is a valuable building block which can lead to various products.This platform intermediate can be obtained by acid-catalyzed conversion of cellulose contained in raw biomass. However, the state of the art concerning this acid-catalyzed reaction revealed that the current conditions (diluted acids in harsh temperature conditions) result in numerous by-products formation. The selectivity issue often deals with process control, in particular with reaction time optimization.Our approach lies in using concentrated Brønsted acids as alternative media to catalyze cellulose conversion. Indeed, the high acidity level allow the interaction with hydrogen bonds in cellulose fibrils and favor cellulose decristallization. This property should promote the transformation of cellulose into levulinic acid at lower temperature thus limiting the formation of by-products. Therefore, acidity measurements in such media have been developed and performed. An extensive study on glucose and Avicel cellulose conversion in concentrated aqueous solutions of sulfuric acid was performed at 80°C. Levulinic acid yields, up to 50 mol%, were determined by HPLC analysis and a special attention was dedicated to the identification and quantification of soluble or insoluble by-products, allowing the characterization of new species never described in aqueous solutions. Referring to the acidity levels previously determined, a comparison between acidity and catalytic results will be setted.Finally, the effect of metallic chloride addition on the transformation of glucose and cellulose in sulphuric acid solutions has been investigated, revealing improvements yielding up to 70 mol% levulinic acid. This range of selectivity is unprecedented at such a low temperature.