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Écrit par
Anissa Makhlouf
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Thesee
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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