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NNT : 2017SACLC009 THESE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITE PARIS-SACLAY PREPAREE A “C

NNT : 2017SACLC009 THESE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITE PARIS-SACLAY PREPAREE A “CENTRALESUPELEC” ECOLE DOCTORALE N°579 SMEMAG Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences Spécialité de doctorat : Génie des procédés Par Clément HUSSENET Instrumentation, modélisation et automatisation de fermenteurs levuriers à destination œnologique Thèse présentée et soutenue à Châtenay-Malabry, le 26 janvier 2017 : Composition du Jury : M. SABLAYROLLES Jean-Marie Professeur, INRA Montpellier Président Mme BOUIX Marielle Professeur, AgroParisTech Rapporteur Mme TAILLANDIER Patricia Professeur, ENSIACET Rapporteur M. PERRE Patrick Professeur, CentraleSupélec Examinateur M. DUCHIRON Francis Professeur, U.R.C.A., Reims Encadrant de thèse Mme PAREAU Dominique Professeur, CentraleSupélec Directrice de thèse M. TAIDI Behnam Professeur, CentraleSupélec Co-directeur de thèse M. POISOT Maxime Ingénieur, Œno Concept Invité Remerciements Avant de débuter la présentation de mon travail de plusieurs années, il convient de remercier toutes les personnes ayant soutenu et pris part, tant moralement que financièrement, de près comme de loin, à l’aboutissement de ce périple qu’est la thèse de doctorat. Je remercie Monsieur Patrick Perré qui a succédé à Dominique Pareau en tant que directeur de la chaire de biotechnologie de l’école CentraleSupélec et du laboratoire de Génie des Procédés et Matériaux pour m’avoir accueilli et permis d’exploiter les différentes ressources du laboratoire. Un soutien matériel a été apporté de la part de la coopérative de Nogent l’Abbesse et du Centre Vinicole Nicolas Feuillatte qui nous ont fourni le vin sans quoi mon travail n’aurait pu être réalisé et je les en remercie. J’adresse mes remerciements cordiaux à tous les membres du jury pour avoir accepté d'évaluer mes travaux. Mesdames Marielle Bouix (professeur à AgroParisTech) et Patricia Taillandier (professeur à l’INP-ENSIACET), pour m’avoir fait l’honneur d’accepter de juger mon travail en tant que rapporteurs, pour le temps consacré à lire le manuscrit et pour les commentaires constructifs qu'elles m'ont adressé et qui ont permis d’améliorer la qualité de ce manuscrit de thèse. Monsieur Jean-Marie Sablayrolles pour avoir bien voulu présider le jury. Je tiens particulièrement à remercier Messieurs Gérard et Boxho, respectivement président et directeur général de l'entreprise Œno Concept et Maxime Poisot, ingénieur commercial, chef de projet, qualité et R&D, et j’en passe, qui m'ont accordé leur confiance et confié des missions valorisantes durant ces années de recherches ainsi que des conseils plus que judicieux. Je remercie chaleureusement le professeur Francis Duchiron, d’avoir accepté de faire partie du jury et avoir supervisé mes recherches. Aussi, je tiens à remercier tout particulièrement mon directeur de thèse, le professeur Dominique Pareau pour m’avoir accueilli dans son équipe durant cette thèse et d’avoir été une de mes encadrants lors de cette thèse. Merci pour vos qualités humaines, pour avoir cru en mes capacités et en mes possibilités et pour m’avoir épaulé. J’ai eu l’immense privilège de bénéficier de vos connaissances dans le domaine des Bioprocédés. Le professeur Behnam Taïdi d’avoir bien voulu suivre ce travail tout en me conseillant, aussi bien humainement que techniquement. Après ces quelques années passées ensemble, je tiens à t’exprimer ici ma considération pour tes qualités humaines ainsi que mon respect. J’adresse ma plus profonde gratitude envers les différents membres de l’équipe du laboratoire de Génie des Procédés et Matériaux de CentraleSupélec dont ceux de « Reims-Pomacle ». Ceux qui ont commencé cette expérience avant moi puis sont plus ou moins partis Claire-Line, Thomas. Touhami qui m’a fait confiance et « prêté » ou tout du moins permis d’encadrer les b étudiants en activités expérimentales et ainsi faire quelques manips en bioréacteur supplémentaires. Aux doctorants qui sont devenus des amis au cours de ces années, spécialement Anne-Sophie et Valentin, mes voisins d’un temps. Fanny pour tes conseils et le soutien apporté. Carole L pour tes conseils vinicoles et microbiologique. Enfin Thuy pour ton soutien, tes discussions et tes petits plats d’ici et d’ailleurs ! Je tiens également à remercier vivement Rayen et Julien mes coachs en motivation, merci pour votre aide. Le laboratoire ICMR de l’URCA pour les mesures de viscosité réalisées, merci. Je n’oublie pas mes collègues de chez Œno Concept, plus particulièrement Frédéric Gory, Christophe Kihn et Fabien, qui m’ont toujours accueilli avec sympathie et aidé dans les études industrielles. Merci à tous pour votre contribution. Jean-Moïse ton implication dans le projet avec La Chablisienne fut une belle réussite. Mes amis de toute la vie: vous avez une place très spéciale dans mon cœur! Merci pour tous ces soutiens, pour ne jamais m’avoir laissé tomber et toujours avoir été là ! Ma chérie, pour m’avoir supporté, épaulé, porté dans cette aventure. En plus de me supporter dans des conditions « normales », ce qui est déjà remarquable, subir mon humeur de fin de thèse, je sais que ce fut compliqué. Merci d’être là !!! Et finalement… mais pas moins important, ceux qui ont toujours été là à mes côtés, qui m’ont soutenu quand le moral n’allait pas trop ou lorsque je n’avais plus d’énergie pour continuer. Le petit cocon familial ! Mes pensées s’adressent à mes frères à qui je dédie ce travail en signe de la profonde et indéfectible affection que je leur porte. Mes pensées vont également à mes grands-parents qui nous ont si vite quittés durant ces quelques années passées. Mes meilleures pensées vont aussi et surtout à mes parents à qui je dois tout, votre amour inconditionnel, de m’avoir soutenu dans tous mes projets et avoir débattu mes idées, m’avoir permis de partir loin. J’ai toujours eu beaucoup de mal à extérioriser mes sentiments, les mots sont peu de choses pour exprimer ma reconnaissance pour tout ce que vous m’avez apporté. Je vous dédie cette réussite et ce travail, merci d’être mes parents, oui je le dis peu, je vous aime très fort !!! a Sommaire Sommaire ............................................................................................................................. a Liste des symboles et abréviations .......................................................................................d Liste des métabolites............................................................................................................ e Liste des gènes et des enzymes ............................................................................................ f Liste des figures ...................................................................................................................g Liste des tableaux............................................................................................................... m Introduction générale ...........................................................................................................o Introduction générale, contexte de l’étude ..........................................................................1 Chapitre 1 : Synthèse bibliographique .................................................................................7 La levure Saccharomyces cerevisiae .............................................................................11 Production de boissons alcoolisées grâce à Saccharomyces cerevisiae ........................12 Bières ............................................................................................................................12 Cidres ............................................................................................................................13 Vins ...............................................................................................................................13 Le métabolisme de la levure ..........................................................................................16 Besoins nutritionnels .....................................................................................................16 Le métabolisme oxydatif...............................................................................................18 Le métabolisme fermentaire .........................................................................................18 Production et consommation de l’éthanol et du glycérol par Saccharomyces cerevisiae .......................................................................................................................................22 Production et consommation du glycérol par Saccharomyces cerevisiae ....................23 La transition glycolyse-gluconéogenèse .......................................................................24 Paramètres influençant l’activité levurienne .................................................................24 La température ..............................................................................................................24 Le pH ............................................................................................................................25 Apport en azote .............................................................................................................25 L’oxygénation du milieu ...............................................................................................26 Le dioxyde de soufre .....................................................................................................27 Le dioxyde de carbone dissous .....................................................................................27 Effet glucose fermentation-respiration .........................................................................28 Notion de stress chez les levures ..................................................................................32 Cinétique de croissance microbienne ............................................................................36 Croissance microbienne en culture discontinue (batch) ...............................................36 Les différents types de culture.......................................................................................38 Le mode de culture discontinu (batch) ..........................................................................38 Le mode de culture discontinu alimenté (fed-batch) ....................................................39 Le mode de culture continu et à recyclage cellulaire (BRC) ........................................40 b Les levures sèches actives commerciales ..................................................................... 41 Le bioréacteur ............................................................................................................... 42 Dimensionnement d’un bioréacteur ............................................................................. 44 Les approches de l’extrapolation ................................................................................. 44 Les phénomènes de transfert ........................................................................................ 45 Production de chaleur lors de la croissance de Saccharomyces cerevisiae .................. 46 L’énergie de maintenance ............................................................................................ 46 Energie-chaleur produite lors de fermentation ............................................................. 46 Energie-chaleur produite lors de respiration ................................................................ 47 Chapitre 2 : Matériel et méthodes ..................................................................................... 49 Micro-organismes ......................................................................................................... 52 Milieux de culture ........................................................................................................ 52 Caractéristiques du vin utilisé ...................................................................................... 52 Préparation des milieux en fiole Erlenmeyer ............................................................... 52 Préparation des milieux en bioréacteurs ...................................................................... 52 Réhydratation-acclimatation et ensemencement .......................................................... 53 Culture en fiole Erlenmeyer ......................................................................................... 54 Mesures en fin de culture ............................................................................................. 54 Cinétique ...................................................................................................................... 54 Perte de masse et quantité de CO2 produit ................................................................... 54 Culture en bioréacteur batch ......................................................................................... 55 Le bioréacteur utilisé et les sondes de suivi ................................................................. 55 Détermination de la distribution des temps de séjour .................................................. 56 Caractérisation rhéologique du milieu de culture ........................................................ 57 Analyse de la composition de l’air en sortie ................................................................ 57 Culture en bioréacteur fed-batch .................................................................................. 57 Méthodes analytiques ................................................................................................... 58 Caractérisation de la biomasse ..................................................................................... 58 Dosage des sucres, de l’éthanol et du glycérol ............................................................ 61 Dosage des ions ............................................................................................................ 62 Méthodes d’analyse des cinétiques .............................................................................. 63 Régulation de l’ajout de substrat au cours de la culture fed-batch ............................... 64 Chapitre 3 : Résultats et discussion : Production de levure en milieu hydro-alcoolique .. 67 Introduction .................................................................................................................. 71 Etude et optimisation des cultures en fioles Erlenmeyer .............................................. 72 Réhydratation et inoculation des levures ..................................................................... 72 Effet de la concentration en glucose et effet Crabtree ................................................. 77 Influence de la concentration en azote ......................................................................... 83 Influence de la nature de la source carbonée ............................................................... 85 c Effet du pH ....................................................................................................................87 Essai de fermentation avec les levures produites par le procédé ..................................89 Conclusion de la partie fioles Erlenmeyer ....................................................................90 Etude en bioréacteur batch ............................................................................................91 Corrélations entre poids sec, absorbance et concentration cellulaire ............................92 Détermination de la distribution des temps de séjour ...................................................94 Influence de l’aération sur l’oxygénation du milieu .....................................................96 Calcul des kL a ..............................................................................................................98 Influence de l’aération sur les temps de doublement ..................................................100 Influence de l’aération sur la production de biomasse et consommation de glucose .102 Influence de uploads/Geographie/ hussenet-2017-archivage.pdf