Les résidus forestiers et agricoles, également appelés résidus lignocellulosiques, constituent de par leur quantité et leur structure un potentiel unique pour la production d’énergie et de molécules d’origine renouvelable, afin de pallier à la raréfaction des hydrocarbures fossiles ainsi qu’aux problèmes environnementaux liés à l’utilisation de ceux-ci. Les biomasses lignocellulosiques sont constituées principalement de cellulose, hémicelluloses et lignines. Le fractionnement et la purification de ces trois constituants est nécessaire à leur valorisation comme produits de substitution des hydrocarbures fossiles. Cette étude s’est tout d’abord attachée à la description et la compréhension des fractionnements chimiques acides et alcalins de la lignocellulose et aux voies de purification qui leur sont actuellement associées. Les travaux expérimentaux ont été réalisés à partir de deux matières premières : la bagasse de canne à sucre et le tourteau de tournesol. Une caractérisation fine de ces matières premières ainsi que des extraits acides et alcalins obtenus à partir de ces matières a été réalisée. Les étapes de purification se sont focalisées sur l’extrait alcalin de bagasse obtenu en conditions douces. En effet, la bagasse de canne à sucre peut être considérée comme un bon modèle de biomasse lignocellulosique, et la purification d’extraits alcalins lignocellulosiques obtenus en conditions douces a été peu étudiée malgré l’intérêt de ce procédé de fractionnement. La filtration membranaire et la chromatographie d'élution sur résine échangeuse de cation ont été évaluées séparément puis en association, afin de séparer les cinq grandes familles de molécules constitutives de l’extrait : des oligomères de lignines, des oligomères de sucres, des monomères phénoliques, de l’acide acétique et des sels inorganiques. Des essais d’ultrafiltration sur plusieurs membranes en faisant varier divers paramètres de filtration ont permis de déterminer que les oligomères de lignine et de sucres, récupérés dans le rétentat, sont séparés des monomères phénoliques, de l’acide acétique et des sels inorganiques, récupérés dans le perméat. Une membrane en fibres creuses de 10 kDa en polysulfone a présenté les meilleures performances de séparation et a été retenue pour les essais suivant en mode concentration et diafiltration. Des essais de chromatographie d'élution avec de l’eau pour éluant en testant plusieurs résines cationiques fortement acides ont montré qu’une fraction très pure d’oligomères de lignines et de sucres peut être obtenue avec une résine de type macroporeuse, alors qu’une résine de type gel a permis la séparation de monomères phénoliques entre eux en fonction de la présence ou non dans leur structure d’une fonction carboxyle. A partir d’extrait alcalin de bagasse, un procédé intégré de purification a été développé combinant de la filtration membranaire puis de la chromatographie sur le perméat et de la précipitation par ajout d’acide sur le rétentat. Il en a résulté l'obtention de quatre fractions purifiées : les monomères phénoliques avec fonction carboxyle, les sels inorganiques et les monomères phénoliques sans fonction carboxyle, les oligomères de lignine, et les oligomères de sucres. / Agricultural and forestry residues, also known as lignocellulosic residues, have a unique potential based on their quantity and structure for the production of renewable energy and molecules, inorder to solve the issues raised by the increasing scarcity of fossil hydrocarbons and the environmental disorder caused by their use. Lignocellulosic biomasses are essentially made ofcellulose, hemicelluloses and lignin. Fractionation and purification of these three compounds are necessary for their valorization as substitutes of fossil hydrocarbons. In the first place, this studydescribed the chemical fractionation of lignocellulose under acidic and alkaline conditions, and their related purification pathways. The experimental work was carried out on two raw materials:sugarcane bagasse and sunflower oil cake. A thorough characterization of the raw materials as well as the acid and alkaline extracts produced from these materials was performed. The purification steps focused on the sugarcane bagasse mild alkaline extract. Indeed, sugarcane bagasse can be considered a model lignocellulosic biomass and the purification of lignocellulosicmild alkaline extract has not been widely studied despite the numerous assets of this fractionation process. Membrane filtration and elution chromatography on strong acid cationic exchange resins were assessed individually then combined, for the separation of the five main pools of molecules that constitute the extract: lignin oligomers, sugar oligomers, phenolic monomers, acetic acid and inorganic salts. Ultrafiltration trials run on several membranes under various filtration conditions showed that lignin and sugar oligomers, recovered in the retentate, were separated from phenolicmonomers, acetic acid and inorganic salts, recovered in the permeate. A hollow fiber membrane of 10 kDa in polysulfone exhibited the best separation performance and was selected for further trials in concentration and diafiltration modes. Elution chromatography tests using water as eluent and various strong acid cationic exchange resins resulted in the production of a very pure lignin andsugar oligomers fraction with a macroporous-type resin, whereas a gel-type resin led to the separation of phenolic monomers from each other depending on the presence or absence in their structure of a carboxyl group. From a sugarcane bagasse mild alkaline extract, an integrated purification process was developed combining membrane filtration then chromatography on the permeate and precipitation by acid addition on the retentate. It resulted in the production of four purified fractions: phenolic monomers with a carboxyl group, inorganic salts and phenolicmonomers without carboxyl group, lignin oligomers, and sugar oligomers

Dans le contexte économique de la plupart des pays en voie de développement, la gazéification sous vapeur d’eau de résidus agricoles lignocellulosiques pourrait être un procédé intéressant, à la fois pour la génération d’énergie dans des régions isolées et pour la production des produits à valeur ajoutée. Étant donné que la disponibilité des résidus agricoles est souvent saisonnière, différents types de biomasse doivent être utilisés pour assurer le fonctionnement des installations de gazéification. A cet égard, ce travail est axé sur la compréhension de l'impact des caractéristiques de la biomasse sur le procédé de gazéification et les propriétés des sous-produits gazeux et solides. Trois biomasses lignocellulosiques à composition macromoléculaire et inorganique différentes ont été sélectionnées pour cette étude : coques de noix de coco (CS), bambou guadua (BG) et coques de palmier à huile (OPS). La cinétique de décomposition thermique des biomasses a été étudiée sur une échelle thermogravimétrique sous atmosphère inerte et sous vapeur d’eau. Malgré les différences dans la structure macromoléculaire des échantillons, la composition inorganique s’est avérée être le paramètre le plus important influençant la réactivité et la cinétique de gazéification. L'impact bénéfique des métaux alcalins et alcalino-terreux a été confirmé, ainsi que l'effet inhibiteur du Si et du P. Plus précisément, le ratio K/(Si+P) est considéré approprié pour décrire et comparer le comportement des biomasses pendant la gazéification sous vapeur d’eau. En conséquence, une nouvelle approche pour la modélisation de la cinétique de gazéification à partir de la composition inorganique de l’échantillon a été proposée. La validité du ratio K/(Si+P) pour classifier et prédire le comportement des biomasses a également été confirmée par des expériences dans un réacteur à lit fluidisé à l’échelle laboratoire. Les échantillons avec un ratio K/(Si+P) au-dessus de 1 ont montré des réactivités de gazéification supérieures à celles des échantillons dont le ratio était inférieur à 1, et donc, une production de gaz et un rendement énergétique plus élevés. De plus, la composition inorganique a non seulement impacté le taux de gazéification des échantillons, mais également les propriétés du sous-produit solide. En particulier, une réactivité de gazéification plus élevée est liée à des chars avec une surface spécifique et un nombre de groupes fonctionnels plus importants. Une température de 850°C et une fraction de vapeur de 30% dans l’agent de réaction ont été identifiées comme les conditions les plus adaptées à la production simultanée de gaz combustible et de char pouvant être valorisé dans des applications agricoles. Le modèle de gazéification sous vapeur d'eau et les résultats expérimentaux présentés dans ce travail peuvent être une référence pour des applications réelles de gazéification travaillant avec différents types de résidus. Par ailleurs, dans le contexte présenté, la gazéification sous vapeur d’eau de déchets lignocellulosiques peut améliorer l’accès à l’énergie des zones rurales isolées, en promouvant simultanément le développement de projets productifs susceptibles de générer de nouveaux revenus pour les communautés locales. / In the context of most developing countries, steam gasification could be a very interesting process for both energy generation in isolated areas and the production of value-added products from lignocellulosic agrowaste. Considering that the availability of agricultural residues is often seasonal, gasification facilities should operate with different feedstocks. In consequence, this work is focused on the understanding of the impact of biomass characteristics on the gasification process and the properties of the gaseous and solid by-products. Three lignocellulosic agrowastes with different macromolecular structure and inorganic composition were selected for this study: Coconut shells (CS), bamboo guadua (BG) and oil palm shells (OPS). The thermal decomposition kinetics of the selected feedstocks was analyzed in a thermogravimetric scale under inert and steam atmosphere. Despite the differences in their macromolecular composition, inorganics showed to be the most important parameter influencing the steam gasification reactivity and kinetics of the samples. The beneficial impact of AAEM was confirmed, as well as the inhibitory effect of Si and P. More specifically, the ratio K/(Si+P) proved to be suitable to describe and compare the steam gasification behavior of lignocellulosic agrowastes. In accordance, a new kinetic modeling approach was proposed to predict the gasification behavior of samples, from the knowledge of their inorganic composition. The validity of the ratio K/(Si+P) to classify and predict the biomass steam gasification behavior was also confirmed from experiments in a lab-scale fluidized bed gasifier. Samples with K/(Si+P) above 1 exhibited higher gasification reactivities compared to samples with ratios below 1, resulting in greater gas yields and higher gas efficiencies. Moreover, inorganics impacted not only the gasification rate of the samples, but also the properties of the gasification solid by-products. In particular, higher gasification reactivities were related to greater char surface areas and contents of oxygenated surface functional groups. A temperature of 850°C and a steam fraction of 30% in the reacting atmosphere proved to be the most suitable gasification conditions for the simultaneous production of fuel gases for energy applications, and a valuable char that could be valorized in soil amendment applications. The gasification model and experimental results presented in this work might be an important reference for real gasification applications working with different kind of residues, when both the gaseous and solid by-products valorization is intended. Moreover, in the presented context, steam gasification of lignocellulosic agrowaste may improve the energy access in rural isolated areas, and simultaneously promote the development of productive projects that could generate new incomes for local communities.

Les levures oléagineuses ascomycètes font partie des productrices de lipides les plus connus de notre époque. Elles peuvent produire des lipides, des molécules chimiques dérivées et des acides organiques à partir de sucres simples ou complexes. Nous avons choisi les levures du genre Blastobotrys afin de définir un nouvel organisme modèle pour la production d'acides gras et de lipides, car ces levures sont capables de synthétiser et de stocker naturellement 15 à 25% de lipides dans leur biomasse sèche à partir de glucose et xylose, soit plus que Yarrowia. lipolytica dans les mêmes conditions. La plupart des études d'ingénierie métabolique connues ont utilisé les levures du genre Blastobotrys dans une logique de production de molécules différentes des lipides. Nous avons caractérisé les traits oléagineux de deux souches appartenant à deux espèces du genre Blastobotrys, en utilisant comme substrats du glucose, xylose, glycérol, fructose, cellobiose, saccharose, galactose avec un rapport C/N de 60. La plus forte production de lipides vient du cellobiose (35%) et du glucose (32%).Ensuite, afin de mieux comprendre le métabolisme des lipides des levures du genre Blastobotrys, nous avons exploré l'effet de la température sur leur physiologie, production de lipides et le profil lipidique en utilisant un milieu YNB contenant 30 g/L de glucose. Nous n'avons pas trouvé de différence marquée de transition de formes entre les formes hyphes et les levures en milieu YNB sous l’effet de quatre températures (28°C, 37°C, 42°C, 45°C), mais la production des lipides est favorisée à 28°C et le C18:1 est l'acide gras le plus abondant dans le profil lipidique. Nous avons transformé avec succès l’espèce B. raffinosifermentans grâce au système Xplor2. Nous avons pu augmenter l'accumulation de lipides en sur-exprimant deux diacylglycérol acyltransférase endogènes, DGA1 et DGA2. Le niveau d’expression élevé de DGA1 dans nos mutants n’est pas corrélé à une production élevée de lipides alors que celui de DGA2 l’est. Notre meilleure souche, dérivée de la souche parentale G1212, a produit 26,5% de lipides à partir de 30 g/L de glucose en culture en flasque. Ce travail représente l’une des premières ingénieries métaboliques de souches de Blastobotrys pour la production de lipides. Ce sont donc des levures oléagineuses comme Y. lipolytica avec un potentiel biotechnologique avéré. / Ascomycetous oleaginous yeasts are among the highest known producers of lipids of our era that may supply lipids compounds, derived chemicals and organic acids from simple or complex carbon sources. We chose oleaginous yeasts species of Blastobotrys genus for defining a new model organism for fatty acid production and lipids, because these oleaginous yeasts natively produce higher lipids rate than Yarrowia lipolytica in the same conditions and can metabolize glucose and xylose. Most of the metabolic engineering studies on these yeast species focused on other molecules compounds than lipids. We characterized the oleaginous traits of two strains belonging to two different species of genus Blastobotrys, using glucose, xylose, glycerol, fructose, cellobiose, sucrose, galactose, starch and oleic acid as substrates with a C/N ratio of 60. We found the higher lipid production (35%) on cellobiose and glucose (32%).Next, in order to further understand the lipid metabolism in Blastobotrys, we explored the effect of temperature on cell physiology, lipid production and lipid profile using YNB medium with 30 g/L glucose. No markedly transition were found from the hyphae to budding form or reversely on YNB medium under four temperatures (28°C, 37°C, 42°C, 45°C). The lipids production is favored at 28°C and C18:1 is the most abundant fatty acid in the lipid profile. We successfully transformed the yeast species B. raffinosifermentans using the Xplor2 system. We increased lipid accumulation by over-expressing two native diacylglycerol acyltransferase genes, DGA1 and DGA2. Our best strain, derived from the parental strain G1212, produced 26.5 g/L lipid from 30g/L glucose in shake-flask experiments. This strain also produced citric acid like Y. lipolytica. We didn’t find significant overall elevated expression in lipid synthesis pathway for DGA1 gene when lipid production was favored on contrary to DGA2 gene. This work represents one of the first metabolic engineering of B. adeninivorans for lipid production.

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.

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

La lignocellulose est le composant principal des parois végétales et donc le biopolymère végétal le plus abondant sur Terre. Sa transformation en molécules d’intérêt industriel est donc une voie prometteuse pour diminuer la consommation de ressources fossiles. Au sein de la plateforme des carboxylates, la transformation de la lignocellulose repose sur l’utilisation de communautés bactériennes. Mais s’ils sont augmentés par des approches de prétraitement du substrat, les rendements sont encore faibles. Afin de les améliorer, nous avons ici testé les capacités de dégradations de communautés microbiennes issues de l’enrichissement de rumen bovin et d’intestin de termites. Afin de caractériser l’effet de la source d’inoculum et du prétraitement du substrat sur le fonctionnement des communautés sélectionnées, une approche de séquençage 16S a été utilisée. Celle-ci a permis la comparaison des compositions de communautés obtenues, mais également de leurs dynamiques au cours de la transformation du substrat lignocellulosique. Les conditions de culture imposées semblent avoir un effet très fort sur la composition des communautés sélectionnées puisque malgré leurs différences, celles-ci présentent d’importantes similitudes et sont bien plus proches que ne l’étaient les inocula initiaux. Enfin, les communautés associées à la dégradation du substrat lignocellulosique montrent des dynamiques très marquées, caractérisées par une importante baisse de diversité et la dominance de quelques populations bactériennes seulement lors du maximum de dégradation. / Lignocellulose is the main component of vegetal cell wall and is thus the most abundant biopolymer on Earth. Its conversion into industrially relevant molecules is of concern to reduce fossil resources consumption. In the dedicated carboxylates platform, lignocellulose conversion relies on the metabolic potential of microbial consortia, but lignocellulose transformation rates can still be improved, despite substrate pretreatment approaches. In order to improve these rates, we here tested the transformation capacities of microbial communities originated from cow rumen and termite guts. 16S sequencing was used to characterize the effects of inoculum source and substrate pretreatment on the selected communities’ functioning. It allowed the comparison between obtained communities, but also between their dynamics during lignocellulose transformation. Culture conditions appeared to have a strong effect on the selected communities, which presented high similarities despite differences between initial inocula. Finally, communities associated to lignocellulose degradation showed marked dynamics, with a strong decrease in diversity indexes and the dominance of a few bacterial populations during the degradation maximum.

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.