Étude, développement et optimisation d'un procédé de
\nfermentation du lactosérum pour la production de
\nbiomasse microbienne.

La gestion des déchets agroalimentaires représente un facteur limitant l’expansion des industriels \ndans le domaine de l’agroalimentaire. Le lactosérum représente un exemple type d'un rejet \nposant une problématique coûteuse et très exigeante sur le plan environnemental pour les \nproducteurs de fromage. Cette problématique, principalement reliée au contenu en lactose du \nlactosérum, est combinée à un contrôle réglementaire de plus en plus strict auquel sont soumis \nles transformateurs. Malgré cela, une proportion significative des 180 milliards de litres de \nlactosérum produits à travers le monde sur une base annuelle reste non traitée. Il en résulte donc \nun manque à gagner significatif sur le potentiel nutritionnel du lactosérum suite à l’extraction des \nprotéines sériques en raison de la faible valeur économique du lactose résiduel. Le présent projet \ns’articule autour du développement, de l’analyse e t de l’optimisation d'un procédé de production \nde biomasse par fermentation du lactosérum. Dans un premier temps, l’analyse de la dynamique \nmicrobienne d'un procédé industriel de fermentation du lactosérum a permis de mettre en \névidence la dégradation de l'équilibre de la flore mixte utilisée (composée de K. marxianus, S. \nunisporus, L. fermentum) se caractérisant par la contamination du fermenteur par une levure \nsauvage, C. krusei, rendant le produit fini non conforme à son autorisation réglementaire de \ncommercialisation. D 'un point de vue cinétique la non-compétitivité de la flore due à sa dérive, \ncouplée à un faible apport en oxygène, ont été à l’origine de rendements de conversion du lactose \nen biomasse et épuratoires très faibles et économiquement non rentables. \nDans un deuxième temps, l'étude de la cinétique de croissance de la souche principale du \nprocédé, K. marxianus, a montré que les conditions optimales de pH, de température et de \nconcentration en lactose pour une production optimale de biomasse (3.99,37.2°C et 28.34 g/L, \nrespectivement) sont différentes de celles requises pour une dégradation optimale de la DCO \n(3.16, 40.7°Ce t 16.6 g/L, respectivement). La maximisation des rendements du procédé requiert \ndonc l’emploi de K. marxianus en association avec d'autres souches afin d'améliorer les \ncapacités épuratoires du procédé et de contrer la contamination de la flore. Ainsi, un criblage de \nplusieurs mélanges microbiens a permis de choisir la culture mixte la plus efficace en termes de \nrendements en biomasse et épuratoires. L'optimisation des conditions de croissance du mix \nchoisi a permis d'obtenir des rendements supérieurs à ceux exhibés par le mix composant la flore \ndu procédé industriel (la production de biomasse et le rendement épuratoire sont de 45% et 55% \nplus élevés, respectivement). Finalement, l'étude des cinétiques de production et de \nconsommation de métabolites au cours de la fermentation du lactosérum, basée sur l’analyse des \nprofils des acides organiques et des glucides, a permis de dresser des profils de production et \nd'assimilation de ces composés, aboutissant ainsi à l’approfondissement des connaissances du \nmétabolisme des levures Crabtree négatives (telles que K. marxianus et C. utilis) en termes de \ncanalisation du flux carboné entre la production de biomasse et celle de métabolites. De même, \nles résultats rapportés ont permis de déterminer la nature des interactions microbiennes entre les \ndifférentes populations (commensalisme et compétition combinée au mutualisme) de la culture \nmixte et de s'assurer de la stabilité de celle-ci au cours de la fermentation du lactosérum. \nLe procédé développé a abouti à la production d'une biomasse à valeur ajoutée et au potentiel \nnutritif très intéressant pour une application dans le domaine de l’alimentation humaine et \nanimale. De plus, la qualité du rejet généré confère à l’utilisateur du procédé une solution de \nchoix pour le traitement et la disposition du lactosérum avec un avantage économique certain. \nCette étude représente la première pierre angulaire dans le processus d'industrialisation du \nprocédé dont la prochaine étape sera d'opérer sa mise à l'échelle afin d'assurer une bonne \ntransition du laboratoire à l'usine. Whey is a costly and environmentally challenging issue for cheese makers. The issue is related \nto organic content combined with increased regulatory scrutiny. Notwithstanding, of the 180 \nbillion liters of whey that are produced annually on a worldwide basis, a significant portion of it \nis not processed. As a result, there is a missed economic opportunity emanating from the \nextraction of the original protein content in whey and the generation of a highly polluting waste \ndue to its lactose content. The reason is that it is capital intensive for smaller cheese makers due \nto the low economic value of the residual lactose after the original whey protein extraction. \nThe present project deals with the development, the analysis and the optimization of a microbial \nbiomass production process through whey fermentation. First, the microbial dynamic analysis of \nan industrial whey fermentation process showed a significant flora deviation triggered by the \ncontamination and the proliferation of the undesirable wild yeast C. krusei in the fermenter. This \nflora equilibrium imbalance resulted in the non-conformity of the final product according to its \ninitial specifications stated by the regulatory approval. From a kinetic point of view, the low \ncompetitiveness of the flora due to its significant deviation, coupled to a low oxygen supply, \nresulted in low lactose to biomass conversion yields and purification efficiencies and thus \nrendering the process economically unprofitable. \nSecondly, the kinetic study of the process flora main strain, the yeast K. marxianus, showed that \noptimal operational conditions, namely pH, temperature and initial lactose content, required for \nhighest biomass production (3.99, 31.2°C et 28.34 g/L, respectively) and efficient polluting \ncharge degradation was 3.16, 40.7°C et 16.6 g/L, respectively. Maximizing both of the responses \nrequires the association of the lactose positive K. marxianus yeast with other strains in order to \nenhance biomass yields as well as purification efficiencies without being forced to operate a \ntrade-off between them. Hence, a screening of several microbial mixes allowed selection of an \nefficient mixed culture in terms of biomass production and epuratory efficiency. Cultivation \nconditions optimization of the selected mix allowed higher yields and productivities compared to \nthose exhibited by the industrial mix previously used (biomass production and epuratory \nefficiency are 45% and 55% higher, respectively). Finally, metabolite production and \nconsumption kinetics during whey fermentation, based on the analysis of organic acids and \ncarbohydrates profiles, allowed to draw up patterns of production and assimilation for these \ncompounds. These patterns contributed in deepening the knowledge of the Crabtree negative \nyeasts (K. marxianus and C. utilis) metabolism in terms of carbon flux split between biomass \nproduction and metabolite secretion. Moreover, the reported results allowed determining the \nnature of the microbial interactions between the mixed culture microbial populations \n(commensalism and combined competition and mutualism) and, hence, verifying its stability \nduring whey fermentation. \nThe developed process led to the production of a high value added biomass characterized by an \ninteresting nutritive profile for an application in human and/or animal alimentation. Moreover, \nthe quality of the residual process wastewater offers to the user a profitable solution for the \ntreatment and the disposal of whey. The present study represents the first cornerstone in the \nindustrialization strategy which the next step would be process scale up in order to ensure \nsuccessful transition from the laboratory to the plant scale.

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