Lignocellulosic biomass as a porous media : experimental study of its degradation by enzymatic hydrolysis

La valorisation de la biomasse végétale représente un enjeu environnemental et industriel considérable au regard de notre demande croissante en énergie renouvelable et en molécules d’intérêt pour l’industrie chimique. Accéder à cette ressource nécessite de déconstruire cette biomasse particulièrement récalcitrante de manière contrôlée. Cette étape reste à ce jour un verrou majeur au développement de procédés viable et économiquement pertinents. Dans la Nature, bactéries et champignons ont développé tout un panel d’enzymes à la modularité très variable, permettant de métaboliser les molécules carbonées présentes dans les parois végétales. Ce travail de thèse a pour ambition d’améliorer notre compréhension des mécanismes biochimiques et biophysiques mis en oeuvre lors de cette dégradation enzymatique de la biomasse végétale. Son originalité est d’étudier l’action enzymatique par l’utilisation de métrologies et techniques issues de l’étude des milieux poreux. Ces techniques sont particulièrement bien adaptées au type d’échantillons qui nous intéresse (paille de blé) et permettent ainsi de considérer la paroi végétale dans toute sa complexité (un milieu poreux complexe et tridimensionnel). Dans une première partie, nous montrons que la microtomographie à rayons X (μCT) permet le suivi temporel, en 3 dimensions, de la dégradation enzymatique d'une biomasse lignocellulosique modèle, la paille de blé. Grâce à un traitement des images 3D spécifique, développé au cours de la thèse, nous observons en particulier la disparition progressive de certaines parois cellulaires riches en cellulose, au fur et à mesure de l’attaque enzymatique. Dans un second temps, et dans le but de sonder les effets de l’action enzymatique à des échelles spatiales non résolues par la visualisation en μCT (inférieures au micron), nous avons effectué des expériences d’élution d’un traceur radio-opacifiant saturant initialement la paille de blé, notamment par un suivi en radiographie X. Un modèle simple de transport diffusif au sein de la paille est utilisé pour extraire un coefficient de diffusion effectif des traceurs au sein de la paille. Des résultats préliminaires sont obtenus pour différents types de traceurs, pour des échantillons natifs ou ayant subi une attaque enzymatique. En résumé, durant cette thèse nous nous sommes attelés à adapter des techniques et des méthodologies issues de l’étude des milieux poreux pour affiner notre compréhension des mécanismes mis en jeu lors de la dégradation de la paille de blé par des enzymes.The valorisation of plant biomass represents a considerable environmental and industrial challenge in view of our growing demand for renewable energy and molecules of interest for the chemical industry. Access to this resource requires the controlled deconstruction of this particularly recalcitrant biomass. This step remains a major obstacle to the development of viable and economically relevant processes. In Nature, bacteria and fungi have developed a whole panel of enzymes with very variable modularity, allowing them to metabolise the carbonated molecules present in the plant cell walls. This thesis aims to improve our understanding of the biochemical and biophysical mechanisms involved in this enzymatic degradation of plant biomass. Its originality is to study the enzymatic attack by using metrology and techniques from the study of porous media. These techniques are particularly well adapted to the type of samples we are interested in (wheat straw) and thus make it possible to consider the plant cell wall in all its complexity (a complex and three-dimensional porous medium). In the first part, we show that X-ray microtomography (μCT) allows the temporal monitoring, in 3 dimensions, of the enzymatic degradation of a model lignocellulosic biomass, wheat straw. Thanks to a specific 3D image processing, developed during the thesis, we observe in particular the progressive disappearance of certain cell walls rich in cellulose, as the enzymatic attack progresses. In a second step, and with the aim of probing the effects of the enzymatic action at spatial scales not resolved by μCT visualisation (sub-micron), we carried out elution experiments of a radio-opacifying tracer initially saturating the wheat straw, notably by X-ray monitoring. A simple model of diffusive transport within the wheat straw is used to extract an effective diffusion coefficient of the tracers within the straw. Preliminary results are obtained for different types of tracers, for native and enzymatically degraded samples. In summary, during this thesis we have adapted techniques and methodologies from the study of porous media to refine our understanding of the mechanisms involved in the enzymatic degradation of wheat straw