Biovalorization of whey into 2,3-Butanediol by fermentation

Le lactosérum est un résidu liquide obtenu lors de la fermentation du fromage. Il est composé de lactose, de protéines, etc. Étant donné les valeurs élevées de ses demandes biologique (DBO) et chimique (DCO) en oxygène, il est nécessaire de traiter le lactosérum avant de le rejeter. La valorisation du lactosérum par voie biotechnologique devrait permettre a) de réduire la DBO et la DCO et b) de générer des produits tels que le 2,3-butanediol (2,3-BD). Des bactéries comme Enterobacter cloacae et Klebsiella pneumoniae peuvent hydrolyser et transformer des saccharides (ex. lactose) en 2,3-BD. Ces bactéries quoique pathogènes sont considérées comme étant les plus performantes pour générer du 2,3-BD. Par conséquent, l‘utilisation d‘autres souches bactériennes non pathogènes permettant l‘hydrolyse et la fermentation des saccharides est recherchée. Dans ce contexte, une souche bactérienne non pathogène d‘Escherichia coli capable d‘hydrolyser et de fermenter une large variété de saccharides pourrait être une bonne option. Cependant, la souche E. coli ne produit pas de 2,3-BD. Une modification génétique d‘E. coli a été effectuée afin de transférer la voie métabolique d‘un producteur naturel de 2,3 BD à savoir l‘E. cloacae. Par conséquent, l‘objectif principal de cette étude est de valoriser le lactose (un disaccharide) contenu dans le lactosérum par fermentation en présence d‘une souche génétiquement modifiée d‘E. coli, afin d‘obtenir du 2,3-BD. Un perméat de lactosérum a également été utilisé comme substrat. Dans un premier temps, une étude portant sur la valorisation potentielle du lactosérum en 2,3-BD a été réalisée. Les différentes bactéries et substrats utilisés pour produire du 2,3-BD sous différentes conditions opératoires sont détaillés. Dans un deuxième temps, la souche d‘E. coli (E. coli JFR12) a été utilisée en variant la nature et la concentration du substrat dans le milieu de culture M9 (préalablement choisi comme le plus approprié parmi 4 milieux de culture). Le rendement en 2,3-BD le plus élevé (environ 0.36 g 2,3-BD/g saccharide) a été obtenu en présence de 25 g/L de glucose ou de lactose. Quelle que soit la concentration de galactose, les rendements en 2,3-BD étaient faibles. En présence du mélange glucose-galactose, les rendements en 2,3-BD obtenus étaient similaires à ceux obtenus avec le galactose. Ensuite, des mélanges de lactosérum ou de perméat de lactosérum ont été réalisés. Les fermentations de ces mélanges en absence de M9 améliorent le rendement en 2,3-BD jusqu‘à 0.43 et 0.42 g 2,3-BD/g lactose en utilisant du lactosérum ou du perméat de lactosérum respectivement pendant 72 h. Finalement, l‘effet des trois paramètres suivants (quantité d‘inoculum, pH initial et vitesse d‘agitation) ont été évalués. Les rendements en 2,3-BD les plus élevés ont été respectivement de 0.47 et de 0.44 g 2,3-BD/g lactose pendant 72 h en utilisant du lactosérum ou du perméat de lactosérum respectivement. Enfin, l‘augmentation du volume réactionnel en utilisant un bioréacteur de 2 L pour la fermentation du lactosérum et du perméat de lactosérum a été testée en condition anaérobie. Les rendements en 2,3-BD ont été plus faibles par comparaison avec ceux obtenus à partir des expériences réalisées dans des fioles de 0.5 L. L'ajout d'air (2 L/min) dans le bioréacteur a été testé afin d'étudier son impact. Le rendement en 2,3-BD a été de 0.40 g 2,3-BD/g de lactose en 24 h. Le temps de fermentation a également été réduit de 72 h à 24 h. La souche E. coli JFR12 est appropriée pour valoriser le lactosérum et le perméat de lactosérum en 2,3-BD.

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