[PDF] Production dacide lactique par Lactobacillus casei sur lactoserum

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INSTITUT DE LORRAINE

Ecole Nationale Supérieure d'Agronomie et des Industries Alime!1taires

Centre National de Recherche Scientifique

Laboratoire des Sciences du Génie

Chimique

THESE présentée à l'INPL par

Daniel MORABITO

en vue d'obtenir le grade

BIUNANCY

Service Commun de Documentation

INPL

2. avenue de la Forêt de Haye -B.P. 3

54501 FRANCE

DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL DE LORRAINE

Specialité : Biotechnologies et Industries Alimentaires

Sujet:

PRODUCTION D'ACIDE LACTIQUE PAR Lactobacillus casei

SUR CINETIQUES, MODELISATION ET

SIMULATION DE PROCEDE INTEGRE

soutenue le 15 Février 1994 devant la Commission d'Examen

11111111111111111111111111111

D 136 028536 0

h"vvunt:urs; rn. It1Ul'lAKl

Membres du Jury :

Examinateurs: J.P. ALlER

M. FICK R.MARCZAK

~S3b 0

DE LORRAINE

Ecole Nationale Supérieure d'Agronomie et des Industries Alimentaires

Centre National de Recherche Scientifique

Laboratoire des Sciences du Génie Chimique

1'-,~11 'c,

THESE présentée à l'INPL par

Daniel MORABITO

en vue d'obtenir le grade

BIUNANCY

Service Commun de Documentation

INPL

2. avemiede la Forêt de Haye -RP. 3

54501 VANDOEUVRE Cédex FRANCE

DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE Specialité : Biotechnologies et Industries Alimentaires

Sujet:

PRODUCTION D'ACIDE LACTIQUE PAR Lactobacillus casei

SUR CINETIQUES, MODELISATION ET

SIMULATION DE PROCEDE INTEGRE

soutenue le 15 Février 1994 devant la Commission d'Examen

Membres du Jury :

Président: J.M. ENGASSER

Rapporteurs: Ph. THONART

Examinateurs: J.P. PONTALIER

M.FICK

R.MARCZAK

Je tiens à remercier, pour feur '1Jirecteur .La6oratoire dés et :Maaame au c.:/Il2(S. groupe au dés Procéiés et .9llimentaires. Ce travail a été réalisé sous [a airection Professeur

1.:/IlP.L.. Je re âavoir accepté ra et pour ses

Je remercie Conférences à Crr-.'J..[S . .9l.I . .9l., âavoir encaaré Je tiens à lui toute ma gratituae pour Cintérêt et pour ra confiance qu'il m'a témoignée.

Je remercie et responsa6[e dés projets

dé Sérum rr-urope, pour feurs et feurs ma tfièse. Je remercie Conférences à Cl1niversité l, pour ces Je remercie :Messieurs Professeur à fl.'J..[s..9l. et Pfi.ilippe

Profeseur à Cl1niversité Liège, pour avoir accepté âêtre lés rapporteurs dé ce travaiL

Je tiens à e:t]Jrimer toute ma reconnaissance à ravrice :Mofiamea et 'Evelyne qui se sont montrés aisponivtés et m'ont apporté une aUe remerciements vont aU((personnes qui m'ont accompagnis au cours de ces années :

Isave{{e,

Catfierine, 'E[isaveth, de 'Cétage', 'fia[f

et au et tous tés amis '!iors' et âItaCie ...

Je tiens à e:t]Jrimer un très vif remerciement à ['équipe ae recfiercfie qui a participé

airectement aU(( cette thèse,

Laurent 'D'llT.JiOIS

9vf.9t 'll!l('E!l(

'TfUeny P.9l.?,"O'Y

Laurent 'BO'llC:J{'E!l(

Joë[ (jP.j9vf.9tL'DI'E!l(

de 'Biofogie, 1 et 'lJ'E.9l. 'Biotech. et Ini. ('lJ'E.9l. 'Biotech. et Ini. I) (:Maîtrise I) ('DIfJ; I) (:Maîtrise de 'Biocmmie, I) ('E9{S,

Conservation, Paris)

:Mais mes remerciements sont aaressés p[us particuCièrement à mon frère et à mes parents qui

ont su me soutenir, m'encourager et me supporter tout au fong années.

SOAfAfAIRE 1

SOMMAIRE

........................ 2

1. REVUE BIBLIOGRAPHIQUE....................................................... 5

1. LE LACTOSERUM ........................................................................

.............. 6

1.1. Généralités....................................................

.......................................... 6

1.2. Les différents types de lactosérum ........ ...... .... .................. ........ ...... ....... 6

1.3. La composltton.............................................................

.......................... 8

1.4. Valorisation du lactosérum...........................................................

.......... 8

2. LA PRODUCTION D'ACIDE LACTIQUE ............................................... 12

2.1. Par voie chimique................................................................

................... 12

2.2. Par voie enzymatique.............................................................

................. 12

2.3. Par fermentation ........................................................................

............. 14

2.4. Brevets appliqués à la bioproduction et l'extraction d'acide lactique..... 19

3. LE METABOLISME CELLULAIRE......................................................... 19

3.1. Les microorganismes.........................................................

..................... 19

3.2. L'énergétique cellulaire ........................................................................

.. 20

3.3. NutritioIl..............................................................

.................................... 28

3.4. L'influence du pH et de l'inhibition lactique........................................... 30

4. LES D'EXTRACTION DE L'ACIDE LACTIQUE............ 34

4.1. Extraction liquide-liquide.........................................................

.............. 36

4.2. Dialyse et électrodialyse.......................................................

38

4.3. Cristallisation.........................................................

................................. 38

4.4. Microfiltration et ultrafiltration .............................................................. 40

4.5. Osmose inverse.................................................................

...................... 40

4.6. Chromatographie.........................................................

........................... 42

4.7. Distillation............................................................

.................................. 42

4.8. Fluides supercritiques..........................................................

................... 44 s. MODELISATION DE LA FERMENTATION LACTIQUE.................... 44

5.1. Définition...........................................................

..................................... 44

5.2. Croissance..............................................................

................................. 46

5.3. Consommation

du substrat................................................................ ..... 47

5.4. Production d'acide lactique................................................................

..... 48

SOMMAIRE

II. MATERIEL et METHODES........................................................ 50

1. MICROORGANISME..........................................................

........................ 50

1.1. Conservation et revivification de la souche........................................... 52

1.2. Propagation et préculture...........................................................

............. 52

2. MILIEUX D E CULTURE ........................................................................

.... 52

2.1. MRS gélosé .et lactosé ....................................................... 52 2.2.

MIlIeu de fermentation InItIal...................... ........................................... 54

3. STERILISATION ET TRAITEMENT THERMIQUE............................. 54

4. MODE DE CUL TURE....................................................................

.............. 54

4.1. Fermentation discontinue.............................................................

........... 54 4.2. Fermentation semi-continue...........................................................

55

4.3. Fermentation continue ........................................................................

.... 55

5. UTILISATION DE LA METHODE

ET ECHELON ........................................................................ ....................... 56

6. ANAL YSES ........................................................................

............................ 58

6.1. Estimation de la biomasse ............................. ......................................... 58

6.2. Dosage enzymatique de l'acide lactique et du lactose............................ 59

6.3. Dosage par HPLC de l'acide lactique et du lactose................................ 62 6.4. Dosage des protéines

... ........ ............ .......... .............. ........ ............ ...... ..... 62 6.5. Estimation des protéines précipitées et

de l'intensité de la réaction de Maillard................................................................

63

6.6. Détermination des peptides par HPLC en phase inverse........................ 63

7. L YSE BACTERIENNE.............................................................

.................... 64

7.1. Par sonication ... ................ ................ ...... .................. ............ .................. 64 7.2.

Par lyse physicochimique......................................................... .............. 64 8. INTERPRETATION DONNEES........................................................ 65

8.1. Vitesses spécifiques..........................................................

65

8.2. Rendements ........................................................................

.................... 68

8.3. Productivités........................................................

................................... 69

8.4. Calcul du bilan carboné..............................................................

............ 69

9. MODELISATION

ET SEMI-CONTINUES.......................................................... ...................... 69

10. APPAREILS...............................................................

.................................... 70

SOMMAIRE

III. INFLUENCES DES PRINCIPAUX PARAMETRES SUR

LA PRODUCTION D'ACIDE LACTIQUE

PAR Lactobacillus casei SUR LACTOSERUM............................. 72

1. SELECTION DE SOUCHE..................................................................

........ 73

1.1. Test d'acidification.........................................................

......................... 73

1.2. Sélection en réacteur contrôlé.... .... ........ .......... ............ ........ ...... ........ ..... 74

1.3. Essais d'utilisation de souches adaptées à de fortes

concentrations d'acide lactique............................................................... 76

1.4. Essai de culture à température élevée..................................................... 78

1.5 Conclusion..............................................................

................................ 79

2. INFLUENCE DES ELEMENTS ESSENTIELS

SUR LA

CINETIQ UE DEL. casei.............................................................................. 80

2.1. Mise en évidence des besoins nutritionnels............................................ 82

2.2. Influence de l'extrait de levure .................... ........................................... 84

2.3. Influence du manganèse et magnésium.................................................. 84

2.4. Influence du Tween

80 .................................................... ....................... 86

2.5. Conclusions ........................................................................

88

3. REMPLACEMENT DE L'EXTRAIT DE LEVURE .....••.....................••..•

3.1. Importance de l'extrait de levure en poudre ......................................... ..

3.2. Remplacement de l'extrait de levure par un lysat acide ou une solution issue d'une sonication de

L. casei

1, t' supp emen ee en VI amInes .................................................................... .

3.3. Remplacement de l'extrait de levure en poudre par de

l'extrait de levure liquide ....................................................................... 90
92
94

3.4. Conclusions ........................................................................

.................... 96 4.

INFLUENCE DE L'ORIGINE 98

5. INFLUENCE DE L'INOCULUM..............................................................

.. 100

6. INFLUENCE DU PRETRAITEMENT PHYSICOCHIMIQUE

DU MILIEU.................................................................. .................................. 101

6.1. Influence pré traitement (pH et durée) sur les cinétiques

des fermentations.... ........ ........................ ............ ...... .... ...... ........ ............

102

6.2. Explication de l'action du pré traitement sur les

performances des fermentations...... .......... ........ ...... ............................... 107

6.3. Conclusions ........................................................................

.................... 112 7. INFLUENCE DE LA BASE REGULATRICE........................................... 114 ......................................... 115

SOMMAIRE

CINETIQUE DE CULTURES

ET SEMI-CONTINUES ................................... 117

1. ETUDE CINETIQUE DE FERMENTATION DISCONTINUE.............. 119

1.1. Cinétiques...........................................................

.................................... 119

1.2. Croissance et Mortalité............................................................

121

1.3. Vitesses spécifiques..........................................................

...................... 123

1.4. Conclusions.............................................................

............................... 125

2. ETUDE CINETIQUE DES FERMENTATIONS SEMI

-CO ........................................................................ .............. 127

2.1. Influence de la concentration de lactosérum du milieu d'alimentation..........................................................

............................... 127

2.2. Influence du débit du milieu d'alimentation.......................................... 134

2.3. Influence de la variation concentration en alimentation à faible débit................................................................

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