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

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