Thèse Recyclage et Valorisation d'Effluents Riches en Phosphates Étude et Optimisation d'Une Voie Biotechnologique de Production de Polyphosphates et Application à l'Ignifugation de Panneaux de Fi H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut Agro Montpellier
École doctorale : GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau
Laboratoire de recherche : IATE - Ingénierie des Agropolymères et Technologies Emergentes
Direction de la thèse : Eric DUBREUCQ ORCID 000000028904504X
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-07T23:59:59

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 oeuvre 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.

Le projet répond à (i) la tension sur la ressource phosphore (non renouvelable, dispersée dans les effluents, eutrophisation, contamination possible des phosphates miniers par métaux lourds) et (ii) la recherche d'alternatives biosourcées aux retardateurs de flamme actuels, avec un verrou central : remplacer des polyP issus de minerai par condensation à haute température par des polyP biogéniques issus de Pi en solution aqueuse dans des conditions réalistes (effluents réels) et à une échelle pertinente.
Il faut rappeler que le respect du cycle bio-géochimique du phosphore est identifié comme l'une des 9 limites planétaires, actuellement déjà dépassée.

- Développer et optimiser une production microbienne de polyP à partir d'effluents/eaux usées riches en phosphates, en vue d'une montée en échelle.
- Extraire/obtenir des polyP biogéniques et les associer à des polyphénols de châtaignier pour formuler un retardateur de flamme biosourcé destiné à des panneaux de fibres de bois.
- Évaluer les performances feu, la durabilité et l'impact environnemental par comparaison à une référence fossile/minérale.

- Bioproduction : mise en oeuvre/optimisation de l'accumulation de polyP par mécanisme de surplus (hyper-compensation après carence en phosphates), puis montée en échelle en fermenteur pilote (5 L) sur effluents réels.
- Formulation matériaux : extraction/production de polyP biogéniques, combinaison avec des polyphénols de châtaignier, incorporation par pré-imprégnation ou enduction sur panneaux de fibres de châtaignier.
- Caractérisation : ATG et PCFC pour criblage, puis cône calorimètre ; ACV simplifiée vs APP.