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 |
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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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