Production de protéases Thermostables par des Bactéries Thermophiles en Utilisant des Boues D'épuration Municipales Comme Substrat

Abstract

Ce projet de doctorat a pour but d'élaborer un procédé de réutilisation des boues d'épuration municipales. La culture de microorganismes industriels dans ces boues est un bon moyen d'y arriver. L'obtention de produits à valeur ajoutée, par ces microorganismes, rend le procédé économiquement viable en offrant une alternative moins coûteuse pour leur production. Plusieurs produits à valeur ajoutée sont susceptibles d'être fabriqués par ces nouveaux procédés. Les protéases thermostables en font partie. Elles peuvent être utilisées comme détergents et dans plusieurs autres domaines industriels. Par contre, l'optimisation de leurs paramètres de production et leurs paramètres opérationnels doit être effectuée afin que le produit final devienne compétitif avec les produits déjà existants. L'isolation de nouvelles souches a permis de démontrer que des souches sauvages existent dans les boues et possèdent la capacité de produire des protéases d'intérêt commercial. Deux souches de Bacillus aestuarii (JPl et JP2), une souche de Brevibacillus borstelensis et une souche de Bacillus licheniformis ont été découvertes et sont de très fortes productrices de protéases. Les séquences de ces nouvelles souches seront enregistrées dans les banques de gènes afin d'offrir à la communauté scientifique mondiale l'opportunité de les comparer. La recherche effectuée sur ces quatre souches de bacilles a permis de démontrer que la température moyenne de croissance optimale de ces souches est de 55°C et le pH de croissance est de 7.0 pour B. aestuarii JPl et JP2 et pour Bv. borstelensis alors que pour B. licheniformis, le pH est de 7.5. La température de stabilité des protéases est de 60°C et pour les quatre souches, le pH de stabilité est de 8.2. Les diverses expériences effectuées ont démontré que les boues d'épuration peuvent être un excellent support pour la production de protéases et parfois, ces boues d'épuration donnent de meilleurs résultats que le milieu semi-synthétique conventionnel. De plus, certaines bactéries produisent plus de protéases selon la concentration en matières en suspension des boues. Cet effet nutritionnel, favorisant la production de protéases, est exprimé différemment d'une souche à l'autre. Il a aussi été démontré que l'oxygène dissous est un facteur important autant pour la croissance bactérienne que pour la production de protéases. Par contre, l'utilisation d'oxygène pur pour l'alimentation des bioréacteurs ne semble pas être une stratégie applicable à grande échelle puisque le coût associé à l'utilisation de l'oxygène est très élevé. L'augmentation du rendement de production de protéases ne justifie pas le coût de l'oxygène utilisé. La pressurisation du bioréacteur semble plus appropriée, car le coût y étant relié est très faible. Ces résultats ont apporté une nouvelle lumière sur plusieurs questions sans réponse, mais très importantes dans le domaine de la bioconversion des boues d'épuration en produits à valeur ajoutée.

Abstract (AI English translation)

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This doctoral project aims to develop a process for reusing municipal sewage sludge. Cultivating industrial microorganisms in this sludge is a good way to do this. Obtaining value-added products by these microorganisms makes the process economically viable by offering a less costly alternative for their production. Several value-added products are likely to be manufactured by these new processes. Thermostable proteases are one of them. They can be used as detergents and in several other industrial fields. On the other hand, the optimization of their production parameters and their operational parameters must be carried out so that the final product becomes competitive with the already existing products. The isolation of new strains has made it possible to demonstrate that wild strains exist in sludge and have the capacity to produce proteases of commercial interest. Two strains of Bacillus aestuarii (JP1 and JP2), a strain of Brevibacillus borstelensis and a strain of Bacillus licheniformis have been discovered and are very strong producers of proteases. The sequences of these new strains will be recorded in gene banks in order to offer the world scientific community the opportunity to compare them. The research carried out on these four strains of bacilli has made it possible to demonstrate that the average optimum growth temperature of these strains is 55° C. and the growth pH is 7.0 for B. aestuarii JP1 and JP2 and for Bv. borstelensis while for B. licheniformis the pH is 7.5. The stability temperature of the proteases is 60° C. and for the four strains, the stability pH is 8.2. The various experiments carried out have demonstrated that sewage sludge can be an excellent support for the production of proteases and sometimes, this sewage sludge gives better results than the conventional semi-synthetic medium. In addition, some bacteria produce more proteases depending on the concentration of suspended solids in the sludge. This nutritional effect, promoting the production of proteases, is expressed differently from one strain to another. It has also been demonstrated that dissolved oxygen is an important factor both for bacterial growth and for the production of proteases. On the other hand, the use of pure oxygen for feeding bioreactors does not seem to be an applicable strategy on a large scale since the cost associated with the use of oxygen is very high. The increase in protease production yield does not justify the cost of the oxygen used. The pressurization of the bioreactor seems more appropriate, because the related cost is very low. These results shed new light on several unanswered, but very important questions in the field of bioconverting sewage sludge into value-added products.