Maîtrise de la production d’hydrolysats protéiques d’intérêts en réacteurs enzymatiques à membranes

Simulation of enzymatic membrane bioreactors for protein hydrolysates production

• Auteur / Autrice : Nastassia Kaugarenia
• Direction : Romain Kapel, François Lesage
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés, des Produits et des Molécules
• Date : Soutenance le 29/09/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Christel Causserand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Kapel, François Lesage, Geneviève Gesan-Guiziou, Loubna Firdaous, Laurent Bazinet, Pierre Villeneuve
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Geneviève Gesan-Guiziou, Loubna Firdaous

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Ultrafiltration

Protéolyse

Hydrolysats de protéines

Bioréacteurs

Réacteurs à membrane

Mots clés libres

Réacteur enzymatique à membrane

Hydrolysats

Protéolyse enzymatique

Ultrafiltration

Modélisation

Simulation

Hydrolysates

Enzymatic proteolysis

Membrane enzymatic reactor

Ultrafiltration

Modelling

Simulation

Résumé

La protéolyse enzymatique est un procédé couramment utilisé pour améliorer les propriétés technico-fonctionnelles des protéines. Or l’utilisation des enzymes et le mode de mise en œuvre en batch rend le coût de production élevé, ce qui est répercuté sur le prix des produits. L’implémentation continue par le couplage de réaction de protéolyse et la séparation membranaire au sein de « Réacteurs Enzymatiques à Membrane » (REM) permet de limiter sensiblement ce coût par le recyclage du catalyseur. Cependant son développement pose également des problématiques techniques qui augmentent son coût et ainsi limitent sa généralisation. Pour réduire les coûts liés au développement des REM, les présents travaux ont permis de développer une méthodologie et une outil de simulation de REM, basé sur la modélisation de production d’un hydrolysat d’intérêt et de criblages de conditions de séparation optimales. Pour ce faire, dans un premier temps, une modélisation hybride – qui relie les conditions opératoires aux paramètres cinétiques – a été réalisée pour optimiser la production en batch d’un hydrolysat d’intérêt avec une double-valorisation possible. Puis, la mise en œuvre en ultrafiltration de cet hydrolysat optimale a été étudiée afin de déterminer les meilleurs paramètres de séparation pour atteindre les objectifs de purification protéique et rendement peptidique, qui étaient repris pour l’implémentation en mode continu. Enfin, la modélisation par bilan de matière de l’ultrafiltration pour chaque composant a été combinée à la modélisation du taux de réaction de chaque composant de la protéolyse. La modélisation a permis de simuler avec succès le fonctionnement d’un REM dans différentes configurations, et a été validée avec une mise en œuvre expérimentale. L’outil de simulation permet de déterminer les paramètres et les conditions opératoires d’une mise en œuvre continue avec un minimum de manipulations expérimentales simples.

Enzymatic proteolysis is a frequently used process to improve the technical-functional proteins properties. However, enzymes use and batch process means that production costs are high, and this is reflected in product price. Continuous implementation by coupling proteolysis reaction and membrane separation in Enzymatic Membrane Reactors (EMR) allows to limit significantly this cost by recycling the catalyst. However, its development also encounters technical problems which increase costs and thus its use is limited. To reduce the costs related to the EMR development, the present research has developed a methodology and a simulation tool for modeling EMR, based on the hydrolysate of interest production modeling and screening of optimal separation conditions. To do so, hybrid modeling allows to correlate operating conditions to kinetic parameters was carried out to optimize batch production of a hydrolysate of interest, with double valorization aimed. Then, the ultrafiltration implementation of this optimal hydrolysate was studied to determine the best separation parameters to meet protein purification and peptide yield expected levels, which were taken further for continuous mode implementation. Finally, ultrafiltration mass balance modeling for each component was combined with reaction rate modeling of each proteolysis component. The modeling successfully simulated EMR process in different configurations, and was validated with an experimental implementation. The simulation tool facilitates determining parameters and operating conditions for a continuous implementation with a minimum of elementary experimental manipulations.