Thèse Approches Combinées pour la Dépolymérisation Biologique de la Lignine pour l'Obtention d'Aromatiques Renouvelables H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Lille École doctorale : Sciences de la Matière du Rayonnement et de l'Environnement Laboratoire de recherche : UMR Transfrontalière BioEcoAgro Direction de la thèse : Rénato FROIDEVAUX ORCID 0000000160070754 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-01T23:59:59 Dans le contexte de la valorisation de la biomasse, le développement d'un modèle économique durable constitue l'un des défis les plus importants de notre société actuelle, en raison du stock limité de ressources fossiles, de la demande croissante de carburants et de produits chimiques et de l'impact environnemental néfaste de divers procédés actuels. La biomasse lignocellulosique, produite massivement par les activités forestières et agricoles, peut être utilisée comme matière première renouvelable, neutre en carbone et non comestible1. Cependant, une vision plus large de la bioraffinerie considère la valorisation de la lignine comme un élément essentiel de l'économie de l'ensemble du concept1. En effet, la lignine est la principale matière première renouvelable composée d'unités aromatiques, provenant principalement de l'industrie des pâtes et papiers (50 millions de tonnes/an). Ce polymère est le plus souvent valorisé uniquement par combustion dans les papeteries pour la production d'énergie (vapeur et électricité). Seulement 1 million de tonnes ont été commercialisées sur le marché des produits chimiques. Différents protocoles à l'échelle du laboratoire ont été développés pour la dépolymérisation de la lignine, tels que thermique catalytique (pyrolyse, micro-ondes ou photo-induite), chimique (oxydation, réduction, solvolyse) et biologique (enzymatique). Dans le projet de thèse, nous souhaitons combiner ces approches pour dépolymériser plus efficacement les lignines. L'objectif est de développer un procédé en cascade capable de dépolymériser la lignine grâce à l'action combinée de procédés physico-chimiques (micro-ondes, ultra-sons, ball milling) et de la biocatalyse enzymatique, pour former des oligomères aromatiques (DP1-5) qui pourront trouver des applications dans la synthèse d'emballages ou en tant qu'agents antimicrobiens pour l'agro-alimentaire. Nous travaillerons avec des oxydo-réductases commerciales, telles que les laccases et les peroxydases, pour catalyser la dépolymérisation de lignines techniques commerciales issues de procédés Kraft, Organosol ou sulfonate. Un autre objectif sera l'optimisation de la détection par spectrométrie de masse des produits de dépolymérisation obtenus par dépolymérisation en lien avec la plateforme de criblage à haut débit Realcat (EQUIPEX). De nos jours, il y a un grand enthousiasme autour du développement des procédés verts et durables. Ce qui permet de porter une attention particulière à la biomasse lignocellulosique (BLC) qui est considérée comme prometteuse, renouvelable et très abondante. La BLC est constituée de trois composants principaux. À savoir, la cellulose, qui est un polymère de glucose représentant environ 430 à 50 % du poids sec de la LCMB. Les hémicelluloses qui sont des polysaccharides hétérogènes et représentent approximativement 20 à 35% en poids [1]. Le troisième constituant est la lignine qui représente la partie restante en poids de la LCBMBLC, environ 15 à 30 %. La lignine est le biopolymère aromatique naturel le plus abondant, représentant jusqu'à 30% du carbone organique sur la Terre, ce qui en fait une matière première renouvelable potentielle pour la production de composés aromatiques à haute valeur ajoutée et d'énergie [2,3]. Dans le monde, la production annuelle de lignine en tant que sous-produit des industries papetières avoisine 70 millions de tonnes [4]. Cette lignine est contenue dans une solution aqueuse appelée liqueur noire qui contient encore des résidus de cellulose, d'hémicelluloses et de divers produits chimiques (sucres, polyphénols, sels ...). Alors, cela induit nécessairement de purifier la lignine pour sa valorisation.
La taille du marché des produits issus de la lignine est estimée à 729,42 millions USD et devrait enregistrer un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 4,52 % entre 2025 et 2030, démontrant ainsi le fort potentiel économique de la lignine [5]. Parmi les principaux acteurs de ce marché (sans ordre particulier), on trouve notamment les sociétés Borregaard AS, Domsjo Fabriker, Sappi, Ingevity et Nippon Paper Industries Co. Ltd. La figure 1 représente la croissance du marché des produits à base de lignine par région. Elle est très élevée en Amérique du Nord et devrait atteindre un chiffre d'affaires de 544,1 millions USD d'ici 2030. Un taux de croissance annuel composé de 3,9% est attendu pour le marché de la lignine et plus de 7% pour la lignine kraft en Amérique du nord de 2025 à 2030 [6,7]. Cette croissance est moins élevée en Europe où la taille du marché de la lignine à haute pureté dépassait 19 millions USD en 2021 et devrait atteindre un taux de croissance de 6,5% jusqu'en 2030. En raison des infrastructures industrielles moins développées, des investissements moindres dans les biotechnologies et une sensibilisation limitée quant aux applications de la lignine, la croissance du marché de la lignine est beaucoup plus lente en Amérique latine et dans le continent Africain [5].
La valorisation actuelle de la lignine repose essentiellement sur la production des produits à faibles valeurs ajoutés, notamment la production d'énergie par combustion au sein des industries pré-citées, la production d'additifs pour le ciment, ou encore la synthèse de solvants organiques, tels que le benzène-toluène-xylène ( BTX) [8]. Moins de 2 % de cette lignine est utilisée à sa juste valeur [9]. Ces dernières années, plusieurs recherches visent à exploiter le plein potentiel de la lignine en exploitant des axes de recherche comme sa dépolymérisation avec pour but de produire des composés à haute valeur ajoutée, à l'instar de la vanilline. Il est largement rapporté dans la littérature que la dépolymérisation de la lignine est bien effective par voie chimique pour la production de produits à haute valeur ajoutée (ex. vanilline). Cependant, la voie chimique ne respecte pas les principes de la chimie verte compte tenue de l'utilisation des conditions de réactions poussées telles que, températures élevées (150-300°C), pressions élevées, solvants organiques, acides forts et bases fortes qui entrainent des risques de dégradation non sélectives, des coûts énergétiques élevés et des problèmes environnementaux liés à l'utilisation des solvants et réactifs parfois toxiques [10-12]. Pour contourner ces risques liés à la voie chimique, il est donc nécessaire de développer des procédés ayant un faible impact environnemental, s'inscrivant ainsi dans le cadre de la chimie verte. Dans cette optique, les recherches actuelles s'orientent également vers l'utilisation de la voie enzymatique. La dégradation de la lignine est assurée par les enzymes ligninolytiques, telles que les laccases et les peroxydases à hème qui sont des enzymes de types oxydoréductases et qui catalysent son oxydation pour produire des monomères aromatiques [13]. Cependant, cette voie n'est pas sans contraintes. En effet, les enzymes de dégradation de la lignine sont connues pour leurs
activités optimales en milieu acide. C'est le cas des péroxydases, telles que la lignine péroxydase qui a une activité optimale à pH 3 [14], de la manganèse peroxydase à pH 5[15] et des laccases, telles que la laccase recombinante bactérienne CotA qui présente une activité optimale à un pH compris entre 3 et 7 [16]. Cependant, la lignine présente une faible solubilité dans ces conditions acides [17] et est plutôt soluble en milieu basique (pH > = 10) [17]. D'où la nécessité de trouver des enzymes capables de catalyser la dégradation de la lignine dans ces conditions (milieux acides et basiques). De même, au cours de la dépolymérisation de la lignine, le phénomène de repolymérisation des produits aromatiques est susceptible de se produire, comme il a déjà été observé avec les laccases [18]. Une autre difficulté à surmonter est une possible rétro-inhibition des enzymes par les produits de dépolymérisation [19]. - Développement d'un réacteur enzymatique à membrane permettant d'extraire les oligomères aromatiques lors de la dépolymérisation enzymatique de la lignine, afin d'éviter leur repolymérisation et de limiter l'inactivation de l'enzyme par l'accumulation des produits.
- Développer un procédé de dépolymérisation enzymatique combinant un traitement physico-chimique de la lignine suivi de sa dépolymérisation par système LMS
- Caractériser la structure des aromatiques par LC-MS, LC-MS-MS, SALDI - Lignins preparation
- Extraction of lignins
- Enzymatic depolymerization of industrial lignins
- Enzymatic Membrane Reactor
- Aromatics characterization / MS analysis of depolymerization products

Étudiant.e (H/F) en Master 2A ou Ecole d'ingénieur 3A
Formation en biochimie, chimie ou génie chimique avec connaissances souhaitées en catalyse enzymatique supportée et en chimie analytique
Qualités requises : motivation, curiosité, rigueur, autonomie, travail en équipe