Méthodologie pour l'optimisation dynamique multicritère d'un procédé discontinu alimenté : application à la production bactérienne d'arômes laitiers, Methodology for the dynamic multicriteria optimization of a fed-batch bioprocess : bacterial lactic aroma production

Anissa Makhlouf

Description

Sous la direction de Yvan Marc, Frantz Fournier
Thèse soutenue le 30 octobre 2006: INPL
Ce travail s’intéresse essentiellement au développement et à l’application d’une méthodologie pour l’optimisation dynamique multicritère d’un procédé discontinu alimenté de production bactérienne d’arômes laitiers. L’étude réalisée comprend principalement quatre parties ; la première décrit l'utilisation des plans d’expériences multicritère, couvrant un large domaine expérimental (pH, température et oxygénation), afin de collecter le maximum d'information sur le comportement physiologique de Lactococcus lactis. La deuxième concerne l'analyse cinétique détaillée de l’effet des combinaisons des facteurs opératoires sur la croissance et l'orientation du métabolisme. La troisième, traite de la construction d'un modèle cinétique en mode discontinu et discontinu alimenté. Dans la dernière, l’outil d’optimisation dynamique multicritère a été validé et appliqué au problème de production d’arômes étudié. Les résultats obtenus pour l’optimisation multicritère sont satisfaisants.
-Bactéries lactiques
-Métabolisme
-Optimisation dynamique multicritère
-Procédé discontinu
-Plans d’expériences multicritères
-Procédé discontinu alimenté
-Modélisation
-Croissance
-Optimisation dynamique monocritère
The aim of the present work is to develop and apply an innovative approach for multicriteria and dynamic optimization of fed-batch fermentation for the production of lactic aroma. This study is mainly divided in four parts: the first one describes the use of multicriteria experimental design, covering an extended operating conditions domain (pH, temperature and oxygenation), in order to collect large experimental information in batch culture of Lactococcus lactis. The second part involves detailed kinetic analysis of operating factor effect combinations on growth and metabolism orientation. The third part deals with the development of a model to predict the kinetic behaviour of this strain in batch and fed-batch cultures. In the last part, the tool for multicriteria and dynamic optimization was validated and applied to the studied problem of lactic aroma production. The results obtained for multicriteria and dynamic optimization are satisfactory.
-Lactic bacteria
-Batch
-Fed-batch
-Growth
-Metabolism
-Experimental design
-Modelling
-Monocriteria optimization
-Dynamic and multicriteria optimization
Source: http://www.theses.fr/2006INPL067N/document

Sujets

• Métabolisme
• Modélisation
• Croissance
• Traitement par lots

Informations

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Extrait

INSTITUT NATIONAL CENTRE NATIONAL DE LA
POLYTECHNIQUE DE LORRAINE RECHERCHE SCIENTIFIQUE

Ecole Nationale Supérieur d’Agronomie Laboratoire des Sciences
et des Industries Alimentaires du Génie Chimique



THESE

Présentée à l’I.N.P.L. par

Anissa MAKHLOUF

En vue d’obtenir le grade de

DOCTEUR

de l’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE

Spécialité : Biotechnologie et Industries Alimentaires


Méthodologie pour l’optimisation dynamique multicritère d’un
procédé discontinu alimenté : Application à la production
bactérienne d’arômes laitiers


Soutenue publiquement le 30 octobre 2006 devant la commission d’examen :




Rapporteurs : M. Jean-François CAVIN Professeur E.N.S.B.A.N.A.
(Dijon)
Mme. Catherine AZZARO PANTEL Professeur E.N.S.I.A.C.E.T.
(Toulouse)
Examinateurs : M. Vincent Boly Professeur E.N.S.G.S.I.
(Nancy)
M. Ivan MARC Directeur de recherche C.N.R.S – L.S.G.C.
(directeur de thèse) (Nancy)
M. Frantz FOURNIER Maître de conférences E.N.S.A.I.A.
(co-directeur de thèse) (Nancy)
M. Emmanuel RONDAGS Maître de conférences E.N.S.A.I.A.
(Nancy)





Sommaire

SOMMAIRE
INTRODUCTION GENERALE............................................................................................................ 1
IIII.... SSSSYYYYNNNNTTTTHHHHEEEESSSSEEEE BBBBIIIIBBBBLLLLIIIIOOOOGGGGRRRRAAAAPPPPHHHHIIIIQQQQUUUUEEEE............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 4444
I.1. METABOLISME DES BACTERIES LACTIQUES ....................................................................... 4
Introduction........................................................................................................................................................... 4
I.1.1. Les bactéries lactiques : caractéristiques et taxonomie ....................................................................... 4
I.1.1.1. Taxonomie et classification des bactéries lactiques ............................................................................... 4
I.1.1.2. Taxonomie et caractéristiques de Lactococcus lactis subsp. lactis biovar. diacetylactis ....................... 5
I.1.2. Métabolisme carboné chez Lactococcus lactis subsp. lactis biovar. diacetylactis .............................. 6
I.1.2.1. Métabolisme du lactose.......................................................................................................................... 6
I.1.2.2. Métabolisme de l’acide citrique ........................................................................................................... 10
I.1.2.3. Métabolisme de l’acide pyruvique ....................................................................................................... 12
I.1.3. Métabolisme de l’oxygène chez Lactococcus lactis subsp. lactis biovar. diacetylactis..................... 20
I.1.3.1. Effet positif du métabolisme de l’oxygène .......................................................................................... 21
I.1.3.2. Effet négatif du métabolisme de l’oxygène.......................................................................................... 21
I.1.4. Amélioration de la production de diacétyle....................................................................................... 21
I.1.4.1. Amélioration de la production de diacétyle via des souches surproductrices ...................................... 21
I.1.4.2. Mise en œuvre de Lactococcus lactis subsp. lactis biovar. diacetylactis ............................................. 24
I.2. MODELISATION...........................................................................................................................31
Introduction......................................................................................................................................................... 31
I.2.1. Généralités............................................................................................................................................. 31
I.2.1.1. Notion de système................................................................................................................................ 31
I.2.1.2. Notion de modèle................................................................................................................................. 32
I.2.2. Modélisation des procédés biologiques ............................................................................................... 33
I.2.2.1. Modèles simples inspirés du génie chimique....................................................................................... 33
I.2.2.2. Modèles basés sur les phénomènes intracellulaires ............................................................................. 35
I.2.2.3. Modèles métaboliques inspirés du génome.......................................................................................... 36
I.2.2.4. Modèles métaboliques dynamiques ..................................................................................................... 36
Sommaire

I.2.3. Modèles cinétiques de l’activité de Lactococcus lactis ...................................................................... 37
I.3. OPTIMISATION.............................................................................................................................39
I.3.1. Optimisation.......................................................................................................................................... 39
I.3.1.1. Définition ............................................................................................................................................. 39
I.3.1.2. Méthodes d’optimisation..................................................................................................................... 40
I.3.2. Optimisation multicritère (multiobjectif) .......................................................................................... 44
I.3.2.1. Introduction.......................................................................................................................................... 44
I.3.2.2. Définitions............................................................................................................................................ 45
I.3.2.3. Procédure de groupement multicritères simples .................................................................................. 45
I.3.2.4. Approximation du domaine de Pareto par les algorithmes évolutionnaires ........................................ 46
II. MATERIEL ET METHODES UTILISES ......................................................................................49
INTRODUCTION..................................................................................................................................49
II.1. MATERIEL...................................................................................................................................49
II.1.1. Souche .............................................................................................................................................. 49
II.1.2. Réactifs.............................................................................................................................................. 49
II.1.2.1. Réactifs pour milieux de culture......................................................................................................... 49
II.1.2.2. Réactifs pour analyses ........................................................................................................................ 49
II.1.2.3. Effluents gazeux ................................................................................................................................. 50
II.1.3. Matériel d’analyse............................................................................................................................ 50
II.1.3.1. Chromatographie liquide haute performance...................................................................................... 50
II.1.3.2. Chromatographie en phase gazeuse .................................................................................................... 50
II.1.4. Matériel de préparation de culture ............................................................................................... 51
II.1.4.1.Fermenteurs de 3 L .............................................................................................................................. 51
II.1.4.2. Fermenteur de 20 L............................................................................................................................. 51
II.1.5. Mat