Production de Polyhydroxybutyrates à partir d'acides gras volatils en culture ouverte : influence du degré de limitation en phosphore sur les réponses cinétiques et les sélections microbiennes.

La production de biopolymères de type polyhydroxyalkanoates (PHA) est une alternative attractive pour remplacer, en partie, les plastiques produits à partir de ressources fossiles. Les contraintes techniques imposées par les cultures pures (substrat purifié, stérilité…) impliquent un coût de production qui rend la production de ces bioplastiques difficilement compétitive par rapport à celle des plastiques conventionnels. L’utilisation de cultures non axéniques permettrait de palier les contraintes des cultures pures mais nécessite une étape de sélection des microorganismes producteurs naturels de PHA. A partir d’un inoculum issu de boues d’épuration et de substrats de types AGV (acide butyrique et acétique), une stratégie de limitation de la croissance par le phosphore pour accumuler du PHB a été mise en place. Nous avons étudié, avec les modes de culture fed-batch et continu, le potentiel de sélection de souches productrices et de production de PHA en fonction des paramètres opératoires (taux de dilution) et environnementaux (degré de limitation en phosphore). L’objectif scientifique a consisté à améliorer les connaissances sur le rôle d’une limitation en phosphore selon les conditions opératoires du procédé, tout d’abord sur la nature des souches sélectionnées, et ensuite sur la croissance et l’accumulation de PHB. Pour cela, une démarche associant l’identification des micro-organismes en dynamique par une technique de pyroséquençage, une caractérisation cinétique des micro-organismes sélectionnés, une analyse procédé et le développement d’une modélisation cinétique a été effectué. L’objectif final du travail visait l’optimisation des procédés de production de PHB en culture non axénique : productivité, rendement, titre final en PHB mais aussi fiabilité et robustesse, en vue de définir une stratégie de production optimale de PHA. Les performances atteintes lors des cultures en fed-batch se situent parmi les meilleures de la littérature (70% de PHA) en cultures mixtes sans étape d’enrichissement préalable en microorganismes producteurs. Les résultats ont montré le rôle de la limitation phosphore sur le déclenchement de la production de PHB. En chémostat, l’analyse des paramètres macro-cinétiques, à partir des sélections microbiennes, a révélé des cinétiques de conversion du substrat carboné en PHB, biomasse catalytique et CO2 dépendantes du degré de limitation en phosphore et du taux de croissance. Le taux de phosphore intracellulaire (dépendant du taux de croissance et du degré de limitation phosphore), est le paramètre gouvernant la conversion du carbone. De plus, ce rôle a été observé pour toutes les populations sélectionnées sous limitation phosphore, démontrant un comportement universel de ces populations face à une limitation phosphore. En parallèle, des études dynamiques en batch à partir de ces populations ont permis de caractériser les paramètres cinétiques des souches, montrant une vitesse maximale de production de PHB de 0,6 et 1,2 Cmol/Cmol.h avec acide acétique et butyrique respectivement. Ces hypothèses réalisées à partir des observations expérimentales ont permis l’établissement d’un nouveau modèle cinétique basé sur le rôle du phosphore intracellulaire sur la conversion du carbone. La confrontation de ce modèle aux résultats expérimentaux a conforté et amélioré la compréhension des processus de dilution intracellulaire du phosphore et de stockage de PHB. Ce modèle a également permis d’explorer une large gamme de conditions environnementales et de prédire les comportements microbiens d’organismes producteurs et non producteurs. A partir des résultats observés et du modèle cinétique établi, les performances de différentes configurations de procédés de production de PHA ont pu être discutées : chémostat simple ou double étage, fed-batch, chémostat et batch... Les performances en termes de productivités, taux de PHB intracellulaires, degré de sélection de producteurs et robustesse du procédé sont comparées.