VALORisation de la SINapine de colza pour la production de choline biosourcée par hydrolyse en Réacteur Enzymatique à Membrane et capture sur résine échangeuse d'ions.

Contexte

Les procédés de production d’ingrédients protéiques issus du colza génèrent des volumes important d’effluents aqueux riches en composés phénoliques qui ne sont pas valorisés. La sinapine, est le compose phénolique majoritaire. Il s’agit d’un ester d’acide sinapique et de choline. La choline est une molécule d’intérêt majeur abondement utilisée en alimentation humaine et animale. La sinapine représente donc un réservoir important de choline biosourcé qui reste inexploitée à ce jour.

Des études montrent que l'hydrolyse de la sinapine peut être catalysée par des Feruloyl esterases (FAE) industrielles. Toutefois, ces études s’intéressaient à la production d’acide sinapique. Aucune donnée de production de choline par bioconversion n’est donc disponible. D’autre part, les hydrolyses ont été mise en œuvre en batch associé à un cout enzymatique incompatible avec une industrialisation. Enfin, il n’existe pas à notre connaissance de procédé de purification de choline à partir d’un effluent riche en sinapine hydrolysé.

Objectif

Le réacteur enzymatique à membrane (REM) est une technologie continue qui permet une réduction sensible du cout enzymatique des procédés enzymatiques. La différence de taille moléculaire entre FAE, sinapine et choline permettent d’envisager le développement d’un REM pour une production de choline biosourcé. D’autre part, la présence d’une amine quaternaire sur la choline permet d’envisager une purification hautement sélective par adsorption sur résine échangeuse de cation fort. L’objectif de cette thèse est de développer un procédé intégré et continu de production de choline biosourcée à partir d’effluents , basé sur l’utilisation d’un REM couplé à une étape d’adsorption.

Problématique

Le développement d’un procédé intégré associant hydrolyse enzymatique continue en REM et séparation par adsorption nécessite une compréhension fine d’opérations fortement couplées et sensibles à de très nombreux paramètres (pH, température, pression transmembranaire, activité enzymatique, cinétiques de réaction, propriétés de membrane, interactions solutés–membrane, phénomènes de polarisation et de colmatage, paramètres hydrodynamiques, etc.). La multiplicité de ces leviers rend extrêmement difficile l’identification de conditions optimales ou même juste appropriées. Il en va de même pour les opérations d’adsorption.

À ce jour, il n’existe pas de méthode rationnelle permettant de développer un réacteur enzymatique à membrane, ni de démarche systématique pour dimensionner et piloter des chaînes d’opérations multi-étapes couplant REM et adsorptions. Les stratégies de mise au point sont essentiellement empiriques et reposent sur des campagnes d’essais longues, coûteuses et souvent difficiles à interpréter. L’absence d’outils prédictifs limite aussi la capacité à diagnostiquer et corriger les dérives de fonctionnement, pourtant déterminantes pour assurer la stabilité d’un procédé continu.

Méthodologie

La méthodologie consistera à développer une plateforme prédictive permettant l’optimisation et le dimensionnement d’un procédé intégré de production de choline. La démarche s’appuiera sur :
(i) une caractérisation cinétique détaillée de l’hydrolyse de la sinapine d’effluents de production d’ingrédient protéique de colza. Cette étude reposera sur la régression de modèles cinétiques connus (Michaelis–Menten, ordres 1 et 2, modèles de pseudo-ordre, etc.), ainsi que sur l’utilisation d’outils de planification expérimentale (DOE) permettant de relier les paramètres cinétiques aux conditions opératoires (pH, température, concentration, hydrodynamique) ;
(ii) le développement de modèles intégrés du REM combinant réactions, transferts et phénomènes de colmatage, incluant en particulier des modèles de flux en résistance en série et l’établissement de corrélations reliant les résistances membranaires aux conditions de pH et de température afin de permettre un couplage ;
(iii) la modélisation avancée des performances d’adsorption de la choline, en intégrant des isothermes adaptés et les données expérimentales préexistantes ;
(iv) l’intégration numérique multi-étapes du procédé complet (hydrolyse continue, séparation membranaire, adsorption, concentration), afin d’identifier des fenêtres opératoires robustes et de proposer un dimensionnement cohérent des opérations successives en vue d’un déploiement industriel.

La thèse se déroulera au LRGP (UMR CNRS 7274) de Nancy (Université de Lorraine). La partie expérimentale sera réalisée dans l’axe génie des produits (équipe GPBF, site IUT NB, …). La partie calculs pourra être mise en œuvre sur le site ENSIC au sein de l’axe primo. L’encadrement sera assurée par Romain Kapel (Directeur de thèse, Pr. UL), Ghislain Génin (Codirecteur de thèse, MCF UL), Christophe Castel (Pr. UL), Andrés David Pina Martinez (MCF, UL) et Jean-Marc Commenge (Pr. UL).

Etudiant.e diplomé.e d'un titre d'ingénieur ou équivalent ayant des compétences en biochimie et ou génie des procédés.

Une bonne maîtrise des méthodes analytiques en biochimie est souhaitée.