Procédé de production de succinate à partir de xylose couplant fermentation (ingénierie métabolique d'Escherichia coli) et purification (nanofiltration)

摘要

Les ressources de carbone primaires doivent être progressivement remplacées par des ressources renouvelables plus complexes comme les matières lignocellulosiques, pour produire des biocarburants ou des synthons (bioraffineries de 2ième génération). Cette évolution nécessite de modifications importantes à différentes étapes du procédé, au niveau de la fermentation elle-même ou dans les étapes ultérieures nécessaire pour l'obtention du produit cible. Dans ce travail, nous avons étudié un procédé de production de succinate à partir du xylose. La fermentation a été réalisée en utilisant une souche d' Escherichia coli modifiée par ingénierie métabolique. La purification du succinate a été réalisée par nanofiltration. Des travaux précédents ont permis, par ingénierie métabolique, de mettre au point une souche E. coli KJ122 permettant de produire du succinate par fermentation anaérobie de glucose dans un milieu contenant des sels minéraux. Cette souche ne permet cependant pas une fermentation performante lorsque le xylose est utilisé comme substrat. Afin de lever cette limitation, E. coli KJ122 a été modifiée. Le transporteur ABC codant pour les gènes xylFGH a été inactivé par une technique de suppression de gènes. La souche ainsi obtenue, baptisée KJ12201 (E. coli KJ122 ?xylFGH) a permis d'atteindre des vitesses de croissances rapides, des consommations de xylose et une production de succinate améliorées par rapport à la souche parente. Après modification génétique, E. coli KJ12201-14T permet de produire en mode une concentration élevée de succinate de 84 g/L, la concentration d'acétate accumulée étant de 11 g/L, à partir d'un milieu de composition adaptée (AM1) contenant 10% de xylose. En fermentation fed-batch, E. coli KJ12201-14T permet de produire du succinate à une concentration de 84 g/L, avec un rendement de 0.85 g/g et une productivité de 2 g/L/h. Ces résultats démontrent les potentialités de cette souche pour produire du succinate à partir de xylose ou d'hydrolysats riches en xylose issus de matières lignocellulosiques. La nanofiltration a ensuite été considérée afin de purifier le succinate obtenu par fermentation. Les expériences ont été réalisées avec une membrane NF45 et des milieux de fermentation synthétiques contenant le succinate et différentes impuretés, sels minéraux, glucose ou autres sels d'acides organiques, acétate en particulier. L'influence des conditions opératoires (pH, pression) sur les performances de la NF a été évaluée. Les mécanismes gouvernant le transfert des espèces à travers la membrane ont été étudiés afin d'expliquer la variation des rétentions en fonction de la composition du milieu. En solution simple, les résultats ont montré que la rétention du succinate augmente avec la pression appliquée et avec le pH et diminue lorsque la concentration augmente. Pour des concentrations faibles, de l'ordre de 0.1M, les rétentions du succinate et de l'acétate en mélange sont différentes et identiques à celles en solution simples. Une bonne purification du succinate est ainsi possible. Au contraire, pour des concentrations plus élevées en succinate, la rétention diminue par suite de l'écrantage des effets de charge. Les rétentions étant trop proches, la séparation acétate/succinate devient impossible. Considérant les mécanismes ainsi mis évidence, une méthodologie a été proposée afin de réaliser la purification du succinate obtenu par fermentation. La séparation acétate/succinate est effectuée en deux étapes. Une diafiltration du jus de fermentation, préalablement dilué, est d'abord réalisée en utilisant la membrane NF45. Le rétentat purifié est ensuite concentré, en utilisant une membrane d'osmose inverse. Grace à ce procédé, il est possible d'augmenter la pureté du succinate de 85 à plus de 99.5% avec un rendement global supérieur à 92%. L'intérêt de la nanofiltration pour purifier le succinate produit par fermentation est ainsi démontrée.