Instrumentation, modélisation et automatisation de fermenteurs levuriers à destination oenologique

Instrumentation, Modeling and Automation yeast Fermentors

• Auteur / Autrice : Clément Hussenet
• Direction : Dominique Pareau, Francis Duchiron, Behnam Taidi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 26/01/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marie Sablayrolles
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Pareau, Francis Duchiron, Patrick Perré
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marielle Bouix, Patricia Taillandier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microorganismes -- Croissance

Bioréacteurs

Vinification

Fermentation

Levure (agent de fermentation)

Mots clés libres

Micro-Organismes

Levure

Fermentation

Bioréacteur batch

Fed-batch

Microorganisms

Yeast

Fermentation

Batch

Fed‐batch bioreactor

Résumé

Le vin est un milieu peu propice à la croissance de la levure mais il est néanmoins possible de la faire croître sur base de vin enrichit en nutriments et dilué pour diminuer la concentration en éthanol. En vue de l’élaboration des vins effervescents par une seconde fermentation, produire la levure Saccharomyces cerevisiae dans ces conditions est indispensable pour l’acclimater mais il s’agit d’un enjeu complexe qui doit prendre en compte de nombreux paramètres physico-chimiques mais aussi économiques. En effet, les paramètres opératoires peuvent induire des conditions de croissance pouvant affecter le développement de la levure. Seule la levure S. cerevisiae (Fizz+) a été utilisée car elle est spécialement sélectionnée pour cette seconde fermentation en vase clos. Le principal enjeu était donc d’obtenir une bonne adaptation de la levure à croître dans un milieu hydro-alcoolique, conditions contraignantes pour elle, mais aussi d’obtenir une production maximale.Nous avons tout d’abord étudié en fioles Erlenmeyer (250 mL) l’influence de divers paramètres : conditions physico-chimiques, concentrations en nutriments, concentration minimale en levure sèche active nécessaire à une bonne activité ainsi que son temps de réhydratation.Dans un deuxième temps, nous avons effectué des propagations en mode batch dans un bioréacteur (5 L) pour valider les conclusions réalisées à la suite de l’étude en Erlenmeyer et ainsi étudier l’influence de différentes aérations sur la production de S. cerevisiae. Les données obtenues ont servi de base pour comparer les améliorations apportées par le procédé développé en mode fed-batch. Les concentrations en levures obtenues suite à l’optimisation des conditions du milieu de culture en cinq litres sont supérieures d’un facteur cinq à celles obtenues dans la pratique en cave.Ensuite l’étude s’est concentrée sur le développement d’un nouveau procédé d’alimentation en nutriments pour cultiver S. cerevisiae en métabolisme respiratoire dans des cuves réalisées par la société partenaire du projet, OEno Concept. La nouveauté réside dans la façon de réguler la température de la culture qui se fait simultanément à l’apport des nutriments suite au dégagement de chaleur lors de la croissance de S. cerevisiae. Un brevet a été déposé sur cette technologie. Ce nouveau procédé a permis une augmentation de la productivité cellulaire, d’un facteur supérieur à quatre, car il a permis aux levures de s’adapter à cet environnement stressant et a favorisé l’oxydation du glucose au détriment de la fermentation.

Wine is an aggressive/stressful growth medium; it is depleted of micronutrients, rich in ethanol and very poor in assimilable nitrogen. Despite all these difficulties, it is possible to grow yeast in a medium largely based on wine by diluting the ethanol concentration and enriching the medium with micronutrients, a carbon source and assimilable nitrogen. It is, desirable to propagate Saccharomyces cerevisiae in such environment in order to produce a culture of yeast adapted to a second fermentation of alcoholic beverages. Production of microorganism in wine growing environment, is a complex issue that must take into account many, physicochemical and economic parameters. Indeed, the operating parameters can affect the development of yeast in a bioreactor. Therefore, it is important to know the most influential parameters on growth. The strain S. cerevisiae (Fizz+), a commercial strain that has been selected for the second fermentation in bottles, was used during this project. The propagation process served to increase the amount of yeast as well as to adapt the yeast to grow in an alcoholic environment. We first studied in shake-flasks cultures various physicochemical conditions such as nutrients concentration, the rehydration time and the minimum concentration of active dry yeast necessary for good yeast activity.In a second step, we performed batch fermentations in bioreactors (5 L) to confirm the conclusions from the shake-flask cultures and additionally to study the influence of aeration on S. cerevisiae production. The data obtained served as a basis for performing fed-batch cultures. The yeast concentrations obtained as a result of the optimization of the conditions of the culture medium in five liters were five times greater than those obtained in actual industrial production processes. The next step was to develop an automated fed-batch culture to grow S. cerevisiae respiratively in partnership with the industrial partner of the project, OEno Concept. The novelty of the process is the way in which the growth medium feed-rate is linked to the heat produced by the growing S. cerevisiae.This research has allowed an increase in cell productivity, by a factor greater than four, thanks to the novel process in stressful growth environment promoting respiration with regard to fermentation.