Étude, développement et optimisation d'un procédé de fermentation du lactosérum pour la production de biomasse microbienne.

Mahmoudi, Amine (2014). Étude, développement et optimisation d'un procédé de fermentation du lactosérum pour la production de biomasse microbienne. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau.

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Résumé

La gestion des déchets agroalimentaires représente un facteur limitant l’expansion des industriels dans le domaine de l’agroalimentaire. Le lactosérum représente un exemple type d'un rejet posant une problématique coûteuse et très exigeante sur le plan environnemental pour les producteurs de fromage. Cette problématique, principalement reliée au contenu en lactose du lactosérum, est combinée à un contrôle réglementaire de plus en plus strict auquel sont soumis les transformateurs. Malgré cela, une proportion significative des 180 milliards de litres de lactosérum produits à travers le monde sur une base annuelle reste non traitée. Il en résulte donc un manque à gagner significatif sur le potentiel nutritionnel du lactosérum suite à l’extraction des protéines sériques en raison de la faible valeur économique du lactose résiduel. Le présent projet s’articule autour du développement, de l’analyse e t de l’optimisation d'un procédé de production de biomasse par fermentation du lactosérum. Dans un premier temps, l’analyse de la dynamique microbienne d'un procédé industriel de fermentation du lactosérum a permis de mettre en évidence la dégradation de l'équilibre de la flore mixte utilisée (composée de K. marxianus, S. unisporus, L. fermentum) se caractérisant par la contamination du fermenteur par une levure sauvage, C. krusei, rendant le produit fini non conforme à son autorisation réglementaire de commercialisation. D 'un point de vue cinétique la non-compétitivité de la flore due à sa dérive, couplée à un faible apport en oxygène, ont été à l’origine de rendements de conversion du lactose en biomasse et épuratoires très faibles et économiquement non rentables. Dans un deuxième temps, l'étude de la cinétique de croissance de la souche principale du procédé, K. marxianus, a montré que les conditions optimales de pH, de température et de concentration en lactose pour une production optimale de biomasse (3.99,37.2°C et 28.34 g/L, respectivement) sont différentes de celles requises pour une dégradation optimale de la DCO (3.16, 40.7°Ce t 16.6 g/L, respectivement). La maximisation des rendements du procédé requiert donc l’emploi de K. marxianus en association avec d'autres souches afin d'améliorer les capacités épuratoires du procédé et de contrer la contamination de la flore. Ainsi, un criblage de plusieurs mélanges microbiens a permis de choisir la culture mixte la plus efficace en termes de rendements en biomasse et épuratoires. L'optimisation des conditions de croissance du mix choisi a permis d'obtenir des rendements supérieurs à ceux exhibés par le mix composant la flore du procédé industriel (la production de biomasse et le rendement épuratoire sont de 45% et 55% plus élevés, respectivement). Finalement, l'étude des cinétiques de production et de consommation de métabolites au cours de la fermentation du lactosérum, basée sur l’analyse des profils des acides organiques et des glucides, a permis de dresser des profils de production et d'assimilation de ces composés, aboutissant ainsi à l’approfondissement des connaissances du métabolisme des levures Crabtree négatives (telles que K. marxianus et C. utilis) en termes de canalisation du flux carboné entre la production de biomasse et celle de métabolites. De même, les résultats rapportés ont permis de déterminer la nature des interactions microbiennes entre les différentes populations (commensalisme et compétition combinée au mutualisme) de la culture mixte et de s'assurer de la stabilité de celle-ci au cours de la fermentation du lactosérum. Le procédé développé a abouti à la production d'une biomasse à valeur ajoutée et au potentiel nutritif très intéressant pour une application dans le domaine de l’alimentation humaine et animale. De plus, la qualité du rejet généré confère à l’utilisateur du procédé une solution de choix pour le traitement et la disposition du lactosérum avec un avantage économique certain. Cette étude représente la première pierre angulaire dans le processus d'industrialisation du procédé dont la prochaine étape sera d'opérer sa mise à l'échelle afin d'assurer une bonne transition du laboratoire à l'usine.

Whey is a costly and environmentally challenging issue for cheese makers. The issue is related to organic content combined with increased regulatory scrutiny. Notwithstanding, of the 180 billion liters of whey that are produced annually on a worldwide basis, a significant portion of it is not processed. As a result, there is a missed economic opportunity emanating from the extraction of the original protein content in whey and the generation of a highly polluting waste due to its lactose content. The reason is that it is capital intensive for smaller cheese makers due to the low economic value of the residual lactose after the original whey protein extraction. The present project deals with the development, the analysis and the optimization of a microbial biomass production process through whey fermentation. First, the microbial dynamic analysis of an industrial whey fermentation process showed a significant flora deviation triggered by the contamination and the proliferation of the undesirable wild yeast C. krusei in the fermenter. This flora equilibrium imbalance resulted in the non-conformity of the final product according to its initial specifications stated by the regulatory approval. From a kinetic point of view, the low competitiveness of the flora due to its significant deviation, coupled to a low oxygen supply, resulted in low lactose to biomass conversion yields and purification efficiencies and thus rendering the process economically unprofitable. Secondly, the kinetic study of the process flora main strain, the yeast K. marxianus, showed that optimal operational conditions, namely pH, temperature and initial lactose content, required for highest biomass production (3.99, 31.2°C et 28.34 g/L, respectively) and efficient polluting charge degradation was 3.16, 40.7°C et 16.6 g/L, respectively. Maximizing both of the responses requires the association of the lactose positive K. marxianus yeast with other strains in order to enhance biomass yields as well as purification efficiencies without being forced to operate a trade-off between them. Hence, a screening of several microbial mixes allowed selection of an efficient mixed culture in terms of biomass production and epuratory efficiency. Cultivation conditions optimization of the selected mix allowed higher yields and productivities compared to those exhibited by the industrial mix previously used (biomass production and epuratory efficiency are 45% and 55% higher, respectively). Finally, metabolite production and consumption kinetics during whey fermentation, based on the analysis of organic acids and carbohydrates profiles, allowed to draw up patterns of production and assimilation for these compounds. These patterns contributed in deepening the knowledge of the Crabtree negative yeasts (K. marxianus and C. utilis) metabolism in terms of carbon flux split between biomass production and metabolite secretion. Moreover, the reported results allowed determining the nature of the microbial interactions between the mixed culture microbial populations (commensalism and combined competition and mutualism) and, hence, verifying its stability during whey fermentation. The developed process led to the production of a high value added biomass characterized by an interesting nutritive profile for an application in human and/or animal alimentation. Moreover, the quality of the residual process wastewater offers to the user a profitable solution for the treatment and the disposal of whey. The present study represents the first cornerstone in the industrialization strategy which the next step would be process scale up in order to ensure successful transition from the laboratory to the plant scale.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Tyagi, Rajeshwar Dayal
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Valéro, José R.
Mots-clés libres:	procédé de fermentation; lactosérum; biomasse microbienne; Kluyveromyces marxianus; culture microbienne
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	22 mars 2017 20:57
Dernière modification:	26 nov. 2021 18:36
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/5107

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