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LGP2 - Thèses soutenues, 2021

Juliette FRANCILLON

25 juin 2021 - Matériaux, Mécanique, Génie Civil, Électrochimie
Sujet
Étude de la diversité moléculaire des oligosaccharides solubles d'hémicellulose issus d'autohydrolysats de bois
Direction
Christine CHIRAT, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2 ♦♦ Claire BOISSET, Ingénieur de Recherche, Cermav / CNRS
Résumé
La définition de nouveaux modes de consommation et la fin progressive de l’ère pétrolière s’imposent comme piliers afin d’assurer un avenir soutenable aux générations futures. La bioraffinerie a un rôle majeur à jouer : c’est un concept clé de l’exploitation durable d’une ressource renouvelable, la biomasse végétale, pour la production d’énergie, de matériaux et de produits chimiques, mais aussi de produits pour l’alimentation animale et la santé humaine. Dans ce contexte, cette thèse vise à valoriser les hémicelluloses du bois dans le cadre d’une bioraffinerie lignocellulosique intégrée dans une usine de pâte kraft.
Ces hétéropolysaccharides complexes représentent 30% du bois et sont les deuxièmes biopolymères les plus abondants sur Terre. Dans ce projet, ils sont extraits par solubilisation en amont du procédé papetier par autohydrolyse. Ce traitement, qui s’inscrit dans le développement durable – il consomme peu d’énergie et n’utilise aucun produit chimique – est choisi pour produire des hémicelluloses à partir de mélanges de copeaux de bois industriels de feuillus et de résineux. La caractérisation des hydrolysats résultants est complexe car ils contiennent des composés de nature chimique très différente dont la composition varie grandement avec l’essence de bois et la sévérité du traitement. Le principal objectif de cette thèse est de définir un schéma de méthodes analytiques applicable et adaptable à tout type d’hydrolysat, afin d’en isoler et cartographier les familles d’hémicelluloses.
L’étude de la diversité moléculaire des oligosaccharides solubles contenus dans ces autohydrolysats de bois, produits à deux niveaux de température (150 et 170°C), passe par plusieurs étapes de purification et d’analyse. D’abord, les oligomères sont classés et séparés des impuretés en fonction de leur taille grâce à l’emploi de l’ultrafiltration membranaire. Puis, la lignine et les produits de dégradation des sucres formés lors de l’autoprotolyse sont éliminés des hydrolysats par adsorption sur des grains de charbon actif. L’optimisation et la combinaison de ces deux techniques de purification adaptées à l’essence de bois et la température d’extraction utilisées permettent d’obtenir des mélanges d’oligosaccharides moins polydispersés que l’hydrolysat de départ et purs en oligosaccharides d’hémicelluloses à 99%.
Cependant, ces traitements engendrent des pertes en oligosaccharides (70 à 80% en masse sèche par rapport à l’hydrolysat de départ) dues à l’adsorption sur le charbon actif ou au passage à travers les pores des membranes de filtration. Ces mélanges sont donc plus aptes à être fractionnés par chromatographie liquide d’exclusion stérique et analysés par spectrométrie de masse, ce qui a permis la quantification et la séparation entre oligomères chargés d’acides hexuroniques et oligomères neutres à la fois des hydrolysats de feuillus et de résineux produits à haute température. Pour certaines fractions, des complexes lignine hydrates de carbone récalcitrants à l’adsorption au charbon actif ont été éliminés. En outre, certaines molécules bioactives de faible degré de polymérisation, valorisables en produits nutraceutiques, ont été isolées.
Autres membres du jury
Stéphane BAUP, Professeur, Université Grenoble Alpes ♦♦ Pierre-Yves PONTALIER, Maître de Conférences HDR, Toulouse INP ♦♦ Ana Paula DUARTE, Professeur, Universidade da Beira Interior, Portugal ♦♦ Diane JOUANNEAU, Ingénieur de Recherche, CNRS Bretagne et Pays de la Loire

Myriam GHODHBANE

26 mars 2021 - Matériaux, Mécanique, Génie Civil, Électrochimie
Sujet
Fabrication et optimisation de bioélectrodes abiotiques pour biopiles à glucose implantables
Direction
Naceur BELGACEM, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2
Résumé
Objectif : optimiser la fabrication de bioélectrodes pour biopiles à glucose implantables en utilisant différents procédés d’impression.
Un catalyseur abiotique composé de graphène dopé au fer et à l’azote a été utilisé pour fabriquer des biocathodes. Deux méthodes de dépôt ont permis de fabriquer des biocathodes en deux dimensions : la pulvérisation ultrasonique et le dépôt par enduction.
Les biocathodes réalisées par pulvérisation ultrasonique ont présenté de faibles densités de courant (0.52 µA/cm²) en raison des petites quantités de matière active déposées. Les biocathodes réalisées par enduction – cette méthode permet de déposer des quantités de matière plus importantes – ont délivré des densités de courant de 70 µA/cm². Ces biocathodes ont fait preuve d’une stabilité in vitro durant deux ans. Elles ont aussi été implantées in vivo dans un rat : une quasi-absence de réaction inflammatoire et une capacité à électro-catalyser l’oxygène ont été constatées après cinq mois d’implantation.
L’étude a ensuite porté sur la fabrication de bioélectrodes en trois dimensions. Des biocathodes abiotiques ont été réalisées par impression 3D, dotées d’une macroporosité contrôlée facilitant la diffusion du substrat au sein de l’électrode. Deux méthodes ont été appliquées : l’utilisation de la matière active directement dans la formulation initiale et la création de sites catalytiques in situ dans la forme en 3D. Pour mener à bien cette approche, la formulation de l’encre et les paramètres d’impression ont été optimisés.
Des densités de courant maximales de l’ordre de 400 µA/cm2 ont été obtenues via la première méthode. La deuxième méthode a permis d’améliorer les performances électrochimiques (facteur 1.5). Cela peut s’expliquer par l’augmentation de la conductivité ainsi que de la porosité des bioélectrodes grâce à l’étape de pyrolyse. Les biocathodes issues de la première méthode ont fait l’objet d’implantation de biopiles hybrides dans la région intra-abdominale de rats. Ces dernières sont restées fonctionnelles même après une durée d’implantation de trois mois. Sur cette même période, une quasi-absence de réaction inflammatoire a été constatée mettant en évidence la biocompatibilité des biocathodes élaborées.
Enfin, une étude comparant deux anodes enzymatiques fabriquées à base de microfibrilles de cellulose (MFC) et de chitosan a démontré que la substitution du chitosan par des MFC permet d’améliorer les performances électrochimiques et les constantes cinétiques des anodes.
Autres membres du jury
Philippe CINQUIN, Professeur, Faculté de médecine de Grenoble  ♦♦ Sophie TINGRY, Directrice de Recherche CNRS, Institut Européen des Membranes, Montpellier ♦♦ Stéphane MARINESCO, Chargé de Recherche, Université Claude Bernard Lyon 1 ♦♦ Christophe MARQUETTE, Directeur de Recherche CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1

Gabriel BANVILLET

19 mars 2021 - Matériaux, Mécanique, Génie Civil, Électrochimie
Sujet
Application industrielle de prétraitements pour l'obtention de nanofibrilles de cellulose de haute qualité
Direction
Julien BRAS, Maître de Conférences HDR, Grenoble INP-Pagora / LGP2 ♦♦ Naceur BELGACEM, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2 ♦♦ Denis CURTIL, Ingénieur de Recherche, Grenoble INP-Pagora / LGP2
Résumé
Le développement de matériaux biosourcés possédant un large éventail de propriétés est devenu une préoccupation majeure dans notre société actuelle afin de tendre vers une bioéconomie durable. Dans ce contexte, les nanofibrilles de cellulose (CNF) sont très prometteuses en raison de leurs propriétés mécaniques, optiques, rhéologiques et barrière intéressantes.
En revanche, plusieurs verrous technologiques freinent encore la rentabilité de leur production à l’échelle industrielle, tels que les problèmes de toxicité liés aux prétraitements de la cellulose ou la forte consommation énergétique des procédés de fibrillation mécanique. Ce projet en collaboration avec Arjowiggins – via un financement CIFRE-ANRT (contact scientifique : Gaël Depres) – vise à développer des prétraitements innovants et à optimiser plusieurs procédés de fibrillation mécanique, avec pour objectif de produire des CNF de haute qualité à l’échelle industrielle.
Dans un premier temps, trois prétraitements ont été étudiés, impliquant un traitement alcalin et enzymatique couplé, l’adsorption d’un polyélectrolyte, et l’hydrolyse enzymatique in situ à fort taux de matière sèche pendant la fibrillation par extrusion bi-vis. Ensuite, un procédé de raffinage à disque a été optimisé pour la production de CNF, en vue de l’implémentation de ces prétraitements à l’échelle pilote. Plusieurs essais industriels avec une ligne de raffinage spécifique au papier calque ont souligné la pertinence de ce procédé pour la production de CNF en grande quantité, menant à une réduction significative de la consommation énergétique comparée à des procédés conventionnels. Enfin, le raffinage à disque a été combiné respectivement avec l’extrusion bi-vis, le broyage ultra-fin et l’homogénéisation. Cette stratégie a permis de dépasser la limitation de la qualité de CNF rencontrée avec l’utilisation du raffinage seul.
Les résultats de ce projet contribuent à la connaissance des prétraitements et procédés pour la production de nanofibrilles de cellulose, et sont un pas vers leur production efficace à l’échelle industrielle.
Autres membres du jury
Evelyne MAURET, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2  ♦♦ Tatiana BUDTOVA, Directrice de Recherche, MINES ParisTech ♦♦ Orlando ROJAS, Professeur, Université de la Colombie-Britannique, Canada ♦♦ Sami BOUFI, Professeur, Université de Sfax, Tunisie ♦♦ Gaël DEPRES, Directeur R&D, Arjowiggins France

Gioia FURIA

29 janvier 2021 - Matériaux, Mécanique, Génie Civil, Électrochimie
Sujet
Développement d'une cellule robotisée pour l'impression de circuits électroniques à la surface d'objets 3D et applications industrielles.
Direction
Davide BENEVENTI, Directeur de Recherche CNRS, Grenoble INP-Pagora / LGP2 ♦♦ Didier CHAUSSY, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2 ♦♦ Philippe MARIN, Maître de Conférences, Grenoble INP / G-SCOP
Résumé
Objectif : réaliser une cellule robotisée 6 axes pour imprimer des circuits électroniques sur des objets de forme quelconque, adaptée au prototypage et à la production en petites séries d'objets 3D intégrant de l'électronique de surface.
La méthode de fabrication proposée comprend plusieurs phases : la numérisation, la construction du maillage, la projection de circuits, l'analyse de la vitesse et l’impression. Ce processus flexible est très utile pour les applications de prototypage et de petites séries pour lesquelles il est nécessaire de changer fréquemment le substrat et les dimensions de l'objet 3D.
Une approche de programmation hors ligne permet d’imprimer des trajectoires conductrices sur des objets 3D et de générer automatiquement la trajectoire et le programme du robot d'impression. Une méthodologie pour prédire la morphologie du circuit en adaptant les paramètres de projection en fonction de la trajectoire et de la vitesse du robot 6 axes a été conçue.
Une interface dédiée à la gestion du processus complet a également été créée et permet à des personnes non expertes en robotique d’utiliser la cellule car les programmes sont générés automatiquement.
Enfin, des prototypes ont été présentés.
Autres membres du jury
Evelyne MAURET, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2  ♦♦ Yassine HADDAB, Professeur, Université de Montpellier  ♦♦ Jean-Pierre RASKIN, Professeur, École Polytechnique de Louvain

mise à jour le 24 août 2021

Université Grenoble Alpes