Population balance modelling of the enzymatic hydrolysis of lignocellulosic substrates

L’hydrolyse enzymatique de la biomasse lignocellulosique est une voie prometteuse pour la bioconversion des matières végétales en sucres fermentescibles en vue de la production du bioéthanol de seconde génération. En général, des cocktails enzymatiques contenant différentes familles d’activités, caractérisées par des modes d’action différents, sont utilisés comme biocatalyseurs. L’essentiel des travaux de modélisation de ce procédé abordent la question via des approches cinétiques où les aspects particulaires et dynamique d’évolution des propriétés du substrat/biocatalyseur/système ne sont pas pris en compte. De plus, ce type de modèles, visant à reproduire les cinétiques de production des sucres simples, traite uniquement le cas de la mise en contact simultanée des enzymes et de la matière à hydrolyser (substrat). Dès lors, les questions relatives au design/optimisation du procédé telles que le mode d’alimentation (batch/continu) ou l’ajout séquencé des enzymes et/ou du substrat ne peuvent pas être abordées avec ces modèles. Dans ce travail, une approche de modélisation par le formalisme du bilan de population est proposée. Le modèle est basé sur une hétérogénéité structurale du substrat à savoir la distribution de taille des chaines/particules. Comme première approche numérique, la méthode des classes est utilisée dans le cas de l’hydrolyse de chaines polymères subissant des attaques endoglucanases (rupture aléatoire) et exoglucanases (coupure d’un dimère en bout de chaine). En deuxième lieu, la méthode des moments a été adoptée pour traiter du cas d’un substrat particulaire. Ici la rupture s’opère sous l’effet des contraintes hydrodynamiques tandis que l’hydrolyse enzymatique modifie la cohésion des particules. Par ailleurs, la nécessité de confronter les résultats numériques issus de la méthode des moments avec les distributions expérimentales a motivé un travail sur les méthodes de reconstruction des distributions à partir de leurs moments. Parallèlement à ce travail de modélisation, plusieurs métrologies nécessaires à la caractérisation de ces systèmes ont été mises en oeuvre. Trois techniques granulométriques (Morpho-granulométrie, Focused Beam Reflectance Measurement Technique (FBRM) et Granulométrie laser) ont été utilisées pour accéder à l’évolution de la distribution de taille des particules au cours de l’hydrolyse d’une cellulose microcristalline (Avicel). De plus, les concentrations en sucres réducteurs et en sucres simples (glucose et cellobiose) ont été mesurées. Les modélisations proposées combinent ainsi les aspects de cinétique homogène et de catalyse hétérogène. Intégrées dans une approche de type bilan de population multivariable, elles permettent d’accéder à l’évolution de la distribution de taille des chaines/particules du substrat ainsi qu’aux cinétiques de conversion en sucres simples.The enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass is a promising approach for the bioconversion of organic matter into fermentable sugars aiming ultimately to produce second generation biofuel. Globally, enzymatic cocktails, containing different activities which are characterized by their specific mechanisms, are used as biocatalysts. Most of the studies devoted to the modelling of this process address the problem via kinetic approaches in which the particulate aspects and the dynamic evolution of the properties of the substrate/biocatalyst/system are not taken into account. Moreover, such models aim to reproduce the kinetics of release of simple sugars and treat only the case where the enzymes and the substrate are simultaneously mixed at the beginning of the hydrolysis reaction. Therefore, issues related to the design/optimization of the process such as the supplying mode (batch/continuous) and the sequential adding of the enzymes/substrate cannot be addressed with these models. In this work, a population balance formalism is proposed as modelling approach. The model is based on a structural heterogeneity of the substrate namely the chain/particle size distribution. As a first numerical approach, the method of classes is used in the case of polymer chains undergoing endoglucanase (random breakage) and exoglucanase (chain-end scission) attacks. Secondly, the method of moments is adopted to solve the same problem and then adapted to the case of a particulate substrate by introducing the particle cohesion effect which depends on the enzymatic attacks as well as on the hydrodynamic shear stress. Finally, the confrontation of the numerical results from the method of moments to the experimental distributions motivated the development of reconstruction methods in order to restore distributions from a finite sequence of their moments. Alongside this modelling work, the suitable metrology has been developed for the characterization of these systems. Three different granulometric techniques (Morphogranulometry, Focused Beam Reflectance Measurement (FBRM) technique and Laser Diffraction Particle Size Analysis) are used to reach the time-evolution of the particle size distribution of microcrystalline cellulose (Avicel). In this context, numerical tools used for the analysis and the comparison of the different experimental distributions are proposed. In addition, the concentrations of reducing and simple sugars (glucose and cellobiose) are measured all along the hydrolysis reactions. The modeling of enzymatic hydrolysis developed here combines the concepts of homogeneous and heterogeneous catalysis. Integrated into the framework of multivariable population balance model, these allow the chain/particle size distribution evolution during the reaction and the kinetics of simple sugars release to be predicted