O zoneamento agroecológico (ZAE) pode ser um instrumento efetivo de ordenamento territorial setorial rural. Suas diretrizes e suas orientações técnicas podem compor os fatores exploratórios de modelos de mudança de uso e cobertura da terra. No Brasil, via de regra, utiliza-se o zoneamento econômico-ecológico (ZEE) como um instrumento de ordenamento territorial e o ZAE é aplicado com o objetivo de fornecer subsídios para o planejamento do uso agrícola das terras, limitando-se, grosso modo, à indicação de sistemas agrícolas e agropecuários potenciais e sustentáveis adaptados ao clima e ao solo. Um ZAE que fomentou políticas de ordenamento territorial setorial rural foi o Zoneamento Agroecológico da Cana-de-açúcar (ZAE-Cana), de 2009, ordenando a expansão da área plantada com cana-de-açúcar para a indústria sucroalcooleira no território brasileiro. Esta tese discute as diferenças de método na elaboração de suas diretrizes e de suas orientações técnicas que permitiram considerar as dimensões social e política e verifica se esse ZAE extrapolou a aplicação de indicativo de áreas potenciais e passou a fomentar políticas públicas de ordenamento da expansão da área plantada com cana-de-açúcar para a indústria sucroalcooleira no território brasileiro. O estudo permitiu concluir que o ZAE-Cana é utilizado como um instrumento efetivo de ordenamento territorial para setor rural por ter incluído as dimensões social e política nas etapas de definição das diretrizes, na validação das análises e na elaboração das orientações técnicas, ou seja, em todas as fases do zoneamento. Em um segundo momento elaborou-se um estudo da aplicação das diretrizes e das orientações técnicas do ZAE como parâmetros para a modelagem de uso e cobertura da terra. Observou-se a correlação das variáveis advindas do ZAE-Cana com os usos e coberturas da terra de 2003 e de 2009 para os estados de Goiás e de São Paulo e aplicou-se o modelo Conversion of Land Use and its Effects at Small regional extent (CLUE-S) no estado de Goiás de 2003 a 2009 (validação) e de 2009 a 2025 (simulação) para verificar o uso dessas variáveis no processo de modelagem, o que permitiu concluir que é viável a aplicação das diretrizes, das orientações técnicas e de outras informações conseguidas durante a elaboração dos zoneamentos agroecológicos em modelos de mudança de uso e cobertura da terra.

Malgré l'impact économique et les enjeux environnementaux liés à la production d'énergie renouvelable par combustion de la biomasse de canne à sucre, les systèmes de culture canniers ne sont optimisés que pour maximiser la production de sucre. Ce travail contribue à l'élaboration d'un module de simulation de l'évolution des composantes du rendement énergétique (CRE) de la biomasse de canne à sucre qui à terme servira à la conception et l'optimisation de systèmes de culture innovants visant une production multi-usages. Les deux critères retenus dans le cadre de ces systèmes de culture sont les rendements énergétique (MJ m-2) et sucrier (kg m-2). En préalable à la formalisation des dynamiques d'évolution des CRE(fractions anatomiques, structures et lignocelluloses) dans la biomasse de canne à sucre, l'influence de facteurs de variations agro-climatiques sur ces dynamiques d'évolution a du être testé. La vérification de cette hypothèse supposant la collecte massive de données au champ, un modèle proche infrarouge de prédiction des CRE dans la biomasse de canne à sucre a été développé. Ce modèle a permis de quantifier les CRE et de suivre leurs évolutions pour 3 cultivars de canne à sucre (R570, R579 et R585) cultivés dans des environnements contrastés (4 sites) durant deux cycles de culture (vierge et première repousse). Cette étude a révélé des différences significatives entre cycles de culture, sites, cultivars, méthodes coupe et composantes anatomiques pour les CRE et le rendement énergétique. Cependant, lerendement en biomasse aérienne de canne à sucre explique 97% de la variabilité du rendement énergétique à la récolte. La maximisation du rendement en biomasse aérienne s'avère être le principal paramètre à optimiser pour maximiser le rendement énergétique de la production. Toutefois, ces nouveaux objectifs de production peuvent être à l'origine de diminution importantes des rendements en sucre par pertes lors du procédé d'extraction. Ces antagonismes doivent être quantifiés et pris en compte dans l'évaluation de performances de système de culture tant que le sucre sera la principale source de rémunération.

O zoneamento agroecológico (ZAE) pode ser um instrumento efetivo de ordenamento territorial setorial rural. Suas diretrizes e suas orientações técnicas podem compor os fatores exploratórios de modelos de mudança de uso e cobertura da terra. No Brasil, via de regra, utiliza-se o zoneamento econômico-ecológico (ZEE) como um instrumento de ordenamento territorial e o ZAE é aplicado com o objetivo de fornecer subsídios para o planejamento do uso agrícola das terras, limitando-se, grosso modo, à indicação de sistemas agrícolas e agropecuários potenciais e sustentáveis adaptados ao clima e ao solo. Um ZAE que fomentou políticas de ordenamento territorial setorial rural foi o Zoneamento Agroecológico da Cana-de-açúcar (ZAE-Cana), de 2009, ordenando a expansão da área plantada com cana-de-açúcar para a indústria sucroalcooleira no território brasileiro. Esta tese discute as diferenças de método na elaboração de suas diretrizes e de suas orientações técnicas que permitiram considerar as dimensões social e política e verifica se esse ZAE extrapolou a aplicação de indicativo de áreas potenciais e passou a fomentar políticas públicas de ordenamento da expansão da área plantada com cana-de-açúcar para a indústria sucroalcooleira no território brasileiro. O estudo permitiu concluir que o ZAE-Cana é utilizado como um instrumento efetivo de ordenamento territorial para setor rural por ter incluído as dimensões social e política nas etapas de definição das diretrizes, na validação das análises e na elaboração das orientações técnicas, ou seja, em todas as fases do zoneamento. Em um segundo momento elaborou-se um estudo da aplicação das diretrizes e das orientações técnicas do ZAE como parâmetros para a modelagem de uso e cobertura da terra. Observou-se a correlação das variáveis advindas do ZAE-Cana com os usos e coberturas da terra de 2003 e de 2009 para os estados de Goiás e de São Paulo e aplicou-se o modelo Conversion of Land Use and its Effects at Small regional extent (CLUE-S) no estado de Goiás de 2003 a 2009 (validação) e de 2009 a 2025 (simulação) para verificar o uso dessas variáveis no processo de modelagem, o que permitiu concluir que é viável a aplicação das diretrizes, das orientações técnicas e de outras informações conseguidas durante a elaboração dos zoneamentos agroecológicos em modelos de mudança de uso e cobertura da terra.

La vinasse de distillerie, co-produit de l’industrie canne-sucre-alcool-énergie, contient de 5 à 7 g/L d’un acide d’intérêt, l’acide aconitique, au sein d’un milieu complexe comportant d’autres acides organiques, des acides aminés, mais surtout des sels minéraux (chlorures et sulfates) et des colorants, rendant sa purification complexe. Afin d’améliorer les performances du procédé d’échange d’ions, au coeur de cette purification, la résine anionique faible Lewatit S4528 a été caractérisée. Le dosage de la résine et des mesures d’isothermes d’échange d’ions ont permis de définir : la capacité totale du support, l’ordre d’affinité des principaux anions de la vinasse et les coefficients d’échange d’ions associés, de même que la capacité pour l’acide d’intérêt dans cette matrice complexe. L’effet du pH, de la forme du support (sulfate, chlorure et base libre) et de l’éluant ont été étudiés en colonne pour différentes solutions (acide seul, vinasse « modèle », vinasse réelle), permettant de préciser les mécanismes de la purification.Les meilleures conditions (vinasse à pH 4,5, résine sous forme chlorure et élution par HCl 0,5 N) ont abouti à un éluat d’une pureté de 28 %MS avec un rendement global de 61 %. Pour éliminer les principales impuretés qui persistent dans l’éluat (ions chlorure et sulfate et des colorants), l’électrodialyse s’est avérée un procédé très performant en ce qui concerne l’élimination des ions chlorure (proche de 100 %) tandis qu’une étape d’adsorption sur résine polystyrénique XAD16 permet l’élimination de 80 % de la charge colorante de l’éluat acide. Le couplage le plus intéressant associe microfiltration, échange d’ions, électrodialyse et adsorption. Il permet d’obtenir une pureté estimée à 37 % MS, avec un facteur de purification de 3,6 par rapport à la vinasse initiale. Ces travaux ont permis d’améliorer d’un facteur 2,6 la pureté de l’acide par rapport à des études antérieures et de mieux comprendre les mécanismes de sa purification sur résine anionique faible. / Cane stillage or vinasse, a byproduct of cane industry, contains from 5 to 7 g/L of aconitic acid, a valuable trivalent carboxylic acid belonging to the second class of building block chemicals. Vinasse also contains a variety of organic compounds (organic acids, amino-acids, colouring matters) and minerals (chlorides, sulphates), which makes purification not straightforward. The objective of this work is to develop the extraction of aconitic acid from stillage, with anion exchange as the heart of the process. In order to improve performances, the main characteristics of the selected anion-exchange resin (Lewatit S4528) are studied. Acid-base dosage and ion-exchange equilibrium experiments allow the total capacity of this support and the ion-exchange coefficients for the major competing anions (aconitate, chloride and sulfate) to be obtained. Separation performances in column are studied for different pH, different solutions (aconitic acid alone, synthetic and industrial stillage) and different resin forms (sulfate, chloride and free- base) in order to elucidate the separation mechanisms.Elution step is also investigated. Best conditions are for stillage at its natural pH (pH 4.5) on the resin under chloride form and HCl 0,5N as the eluant. A 28% DM purity and a 61% global recovery are achieved for aconitic acid in the eluate. Main impurities still remaining are chlorides or sulfates and coloring matter. Homopolar electrodialysis proves successful for removing nearly 100% chlorides from aconitic acid with a limited loss of the acid (< 15%). Adsorption step on a polystyrenic resin (XAD16) of an acidic eluate leads to the retention of 80% of the colorants, with only 12% of the acid lost. At last, the most interesting process combination associates microfiltration, anion-exchange, electrodialysis and adsorption. Purity is 37% MS, namely 3.6 higher than the original vinasse. This work enables aconitic acid purity to be improved by a factor of 2.6 compared with prior studies and to have a better comprehension of the mechanisms involved in its purification on weak anionic resin.

La biomasse lignocellulosique comprend les sous-produits agricoles et industriels pouvant être utilisés comme matière première dans des bioprocédés variés destinés à produire des molécules d'intérêt énergétique ou chimique. Ces ressources lignocellulosiques, peuvent notamment être fournies par l'industrie papetière qui est particulièrement adaptée pour les bio-raffineries modernes car elle est en capacité de produire en grande quantité un substrat ayant une faible teneur en lignine et sans composés inhibiteurs. La bagasse de canne à sucre est également un substrat prometteur par sa composition chimique simple et son abondance dans les pays tropicaux. Lors de l'utilisation de ces substrats, l'hydrolyse enzymatique constitue une étape cruciale permettant la transformation des fibres de cellulose en une source de carbone fermentescible. Si les aspects biochimiques de cette étape d'hydrolyse font l'objet de nombreuses recherches et de développements, les réactions sous haute teneur en matière sèche font apparaître des limitations physiques qui sont beaucoup moins étudiées et analysées mais constituent des verrous scientifiques et technologiques qui freinent actuellement l'utilisation de cette ressource abondante et durable. Ce travail s'inscrit dans ce contexte et propose l'étude de cette étape d'hydrolyse enzymatique de la lignocellulose en s'intéressant conjointement aux aspects biochimiques et physiques de façon à aller vers une compréhension et une maîtrise des transferts (de masse, de chaleur) dans les réactions à forte concentration en substrat. La stratégie adoptée a consisté à réaliser et analyser des réactions d'hydrolyse sous différentes conditions opératoires en travaillant dans un premier temps sur des concentrations intermédiaires (suspension semi-diluée), c'est-à-dire en introduisant, mais de façon limitée, les complexités dues aux interactions entre particules/fibres de lignocellulose. Les résultats obtenus sont ensuite utilisés pour élaborer une stratégie adaptée aux fortes concentrations. Les aspects physiques analysés sont essentiellement le comportement rhéologique du milieu réactionnel ainsi que la morpho-granulométrie des objets en suspension. Différentes métrologies, tant in-situ que ex-situ, ont été mises en œuvre et apportent des résultats complémentaires. Les études ont été menées sur un substrat de référence, le papier Whatman, et deux substrats à vocation industrielle: la pâte à papier et la bagasse de canne à sucre. La stratégie d'étude porte sur les aspects suivants: (i) le suivi de l'évolution des comportements rhéologiques et des propriétés morphologiques des suspensions au cours de l'hydrolyse, (ii) l'étude des mécanismes d'hydrolyse lors de la dégradation des substrats, (iii) l'étude de l'impact de la composition et de la structure des substrats sur les cinétiques de solubilisation et d'hydrolyse, (iv) la quantification de la contribution des différentes activités enzymatiques, seules ou en mélange par une approche physique multi-échelle et (v) le contrôle et l'optimisation des conditions d'alimentation dans un procédé discontinu alimenté (fed-batch) afin d'atteindre des conditions de milieu concentré. Les chapitres 1 et 2 de ce document sont consacrés à une étude bibliographique du sujet et à la présentation des matériels et méthodes mis en œuvre. Le troisième chapitre présente les résultats obtenus et leur analyse. Il est constitué de trois sections: tout d'abord une étude des propriétés des différents enzymes ou cocktail d'enzymes utilisés, des substrats retenus et des suspensions avec, notamment, la détermination des régimes semi-dilués et concentrés. Ensuite sont présentées et analysées les hydrolyses effectuées en milieu semi-dilué. Les mécanismes d'hydrolyse (fragmentation, solubilisation, hydratation et séparation des agglomérats) sont étudiés pour diverses concentrations et divers enzymes/cocktails. Enfin les résultats en milieu concentré sont présentés dans une dernière section. / Lignocellulosic biomass consists of several agriculture and industrial by-products that can be used as raw material for several bioprocesses to obtain range of products. Among lignocellulosic sources, the pulp & paper industry is appropriated for modern bio-refining thank to pulp with low lignin content and free of inhibitory compounds. Besides, sugarcane bagasse is a very promising feedstock because of its simple chemical composition and its abundancy especially in tropical countries. In the bioconversion of lignocellulose, enzymatic hydrolysis is a crucial step that allows the transformation of cellulosic and hemicellulosic fibers into fermentable carbon sources. The lack of knowledge about physical limitations and hydrolysis mechanisms, especially at high dry matter content, stands as the main barrier which forbids the scale-up of bio-refinery processes. Thus, the efficient and sustainable use of lignocellulosic resources is currently a major challenge and need to be investigated. In this context, this PhD focused on the enzymatic hydrolysis of lignocellulose by both physical and biochemical approaches. The strategy consisted in carrying out and in analyzing the hydrolysis reactions under different operating conditions with semi-dilute suspensions. Then, obtained results were used to develop a hydrolysis strategy for concentrated suspensions. Different methodologies, in- and ex-situ analyses, were implemented and provided complementary results. From physical approach, analyses consisted in rheological behavior of suspensions as well as the morpho-granulometry of particles. The study was carried out on a reference substrate, Whatman paper, and on two industrial substrates, paper pulp and sugarcane bagasse. The strategy aimed to investigate different stakes: (i) evolution of rheological behaviors and the morphological properties of suspensions, (ii) hydrolysis mechanisms during the degradation of substrates, (iii) impact of substrate composition and structure on solubilization and hydrolysis kinetics, (iv) quantification of the contribution of single enzyme and enzyme mixture activities by multi-scale physical approaches and (v) control and optimization of feeding parameters for fed-batch process in order to access to concentrated suspension. Chapters 1 and 2 of this document are devoted to a research bibliographic and presentation of materials and methods. The third chapter presents obtained results and discussion in three sections. The first one is a study of the properties of different enzymes and substrates, in particular, the determination of semi-dilute and concentrated regime. Subsequently the enzymatic hydrolysis at semi-dilute regime is presented to highlight the hydrolysis mechanisms (fragmentation, solubilization, solvation and agglomerate separation) in relationship with enzyme mixtures and dosages. Finally, results in concentrated regime are discussed in the final section.