Topic description
Le sujet de thèse s'inscrit dans le développement d'une filière de recyclage du phosphore fondée sur la conversion biotechnologique des phosphates (Pi) en polyphosphates (polyP), puis sur l'utilisation de ces polyP biogéniques comme principe actif d'ignifugation pour des biomatériaux lignocellulosiques (panneaux de fibres). Le contexte combine (i) une tension croissante sur une ressource minérale non renouvelable, largement dissipée dans les rejets et impliquée dans l'eutrophisation (Pi), et (ii) la nécessité de substituer des retardateurs de flamme actuels à forte empreinte environnementale ou présentant des risques de toxicité. Les composés phosphorés sont efficaces pour améliorer le comportement au feu, mais un verrou persistant est de produire des polyP d'origine biologique à partir de matrices complexes et variables, puis de les formuler de manière robuste dans des matériaux, avec des performances et une durabilité compatibles avec des exigences normatives.
La problématique scientifique se décline en trois questions :
1.Bioproduction : dans quelles conditions optimales et selon quels mécanismes des stratégies alternant carence et alimentation en Pi induisent-elles l'accumulation intracellulaire de polyP chez les levures étudiées, quels paramètres (pH, disponibilité en carbone/énergie, ratio C/P, régime d'alimentation, transferts de matière) en déterminent l'amplitude et la cinétique, et comment ces relations évoluent-elles lors du passage de milieux définis à des effluents riches en Pi ?
2.Qualité du produit : quelles signatures structurales et physicochimiques des polyP produits (degré de polymérisation, ramification, contre-ions, solubilité, stabilité hydrolytique) gouvernent leur efficacité ignifugeante et leur compatibilité avec des matrices lignocellulosiques ?
3.Mise en œuvre matériaux : quelles voies d'intégration (incorporation volumique, pré-imprégnation, enduction de surface) permettent d'optimiser la réaction au feu ?
La stratégie repose sur une démarche intégrée « bioprocédé–formulation–propriétés ». Elle commence par une étude en fermenteurs instrumentés des conditions d'induction et d'intensification de l'accumulation de polyP, avec une transition progressive vers des effluents réels et la constitution d'échantillons représentatifs. Les polyP obtenus sont ensuite caractérisés finement, puis formulés en additifs compatibles avec des panneaux de fibres de bois. Les performances sont évaluées par une combinaison d'indicateurs de réaction au feu à l'échelle matériau. La question des possibilités et conditions de transposabilité industrielle fera partie des réflexions associées à l'orientation des travaux en fonction des résultats obtenus.
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This PhD project contributes to developing a phosphorus recycling pathway based on the biotechnological conversion of phosphate (Pi) into polyphosphate (polyP), followed by the use of biogenic polyP as an active flame-retardant ingredient for lignocellulosic biomaterials (fibreboards). The context combines (i) growing pressure on a non-renewable mineral resource that is largely dissipated in discharges and contributes to eutrophication (Pi), and (ii) the need to replace current flame retardants with high environmental footprints and/or toxicity concerns. Phosphorus-based compounds are effective in improving fire behaviour, but a persistent bottleneck is to produce biologically sourced polyP from complex, variable matrices and then to formulate it robustly within materials, achieving performance and durability compatible with standards.
The scientific challenges are articulated around three questions:
1.Bioproduction: under which optimal conditions and through which mechanisms do alternating Pi starvation and Pi feeding strategies induce intracellular polyP accumulation in the yeasts studied? Which parameters (pH, carbon/energy availability, C/P ratio, feeding regime, mass transfer) control the magnitude and kinetics, and how do these relationships change when moving from defined media to Pi-rich effluents?
2.Product quality: which structural and physicochemical signatures of the produced polyP (degree of polymerisation, branching, counter-ions, solubility, hydrolytic stability) govern its flame-retardant efficiency and its compatibility with lignocellulosic matrices?
3.Materials processing: which integration routes (bulk incorporation, pre-impregnation, surface coating) make it possible to optimise reaction-to-fire performance?
The strategy follows an integrated “bioprocess–formulation–properties” approach. It starts with studies in instrumented bioreactors to identify conditions that induce and intensify polyP accumulation, with a gradual transition to real effluents and the creation of representative sample sets. The resulting polyP is then characterised in detail and formulated into additives compatible with wood fibreboards. Performance is assessed using a combination of material-scale reaction-to-fire indicators. Considerations on industrial transferability (options and conditions) will accompany the work and guide its orientation depending on the results obtained.
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Début de la thèse : 01/10/
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