Optimisation de la purification de la nisine par procédés à membranes : influence des milieux de culture et stratégies d'amélioration des performances

Optimization of nisin purification by membrane processes: influence of culture media and performance improvement strategies

• Auteur / Autrice : Matthias Scrive
• Direction : Loubna Firdaous
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biotechnologies agroalimentaires, sciences de l'aliment, physiologie
• Date : Inscription en doctorat le 01/01/2025
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR Transfrontalière BioEcoAgro
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Biotransformation/Enzymes et Biocatalyse

Mots clés

Mots clés libres

Nisine

Procédés membranaires

Purification

Nisin

Membranes processes

Purification

Résumé

La nisine est une bactériocine produite par des souches de bactéries lactiques, dotée d'un large spectre d'activité antibactérienne contre les bactéries Gram+, et largement utilisée comme additif alimentaire naturel (E234) en raison de sa faible toxicité. En plus de son utilisation comme conservateur, elle suscite un intérêt croissant en tant qu'agent thérapeutique potentiel contre les infections bactériennes. Cependant, les méthodes actuelles de production et de purification de la nisine présentent des limitations significatives, notamment en termes de rendement, de coût et d'impact environnemental, limitant ainsi le développement commercial de cette molécule. Dans ce contexte, cette thèse vise à optimiser la purification de la nisine par procédés membranaires en étudiant l'influence des milieux de culture et en intégrant des étapes de pré-purification par adsorption/désorption. L'objectif est d'améliorer l'efficacité du procédé, tout en réduisant les coûts et le colmatage des membranes, en particulier à travers l'étude du cisaillement dynamique et en explorant la modification de surface. Le projet prévoit également une mise à l'échelle pilote du procédé optimisé et l'évaluation de l'application des matrices obtenues dans des matrices alimentaires, avec pour objectif de rendre la production de nisine plus rentable et durable. Le projet de thèse se décline en quatre parties : - Optimisation de la séparation membranaire pour la concentration et la purification de la nisine : différentes solutions de nisine, incluant des surnageants de culture et des désorbats obtenus par adsorption/désorption sur cellules productrices seront étudiées. Une caractérisation complète du procédé membranaire, des fractions purifiées (concentration de nisine, activité antimicrobienne) et des membranes utilisées (performances, colmatage) sera effectuée. - Amélioration des performances des procédés à travers des stratégies telles que la modification de surface pour réduire le colmatage, augmenter les flux et améliorer la sélectivité. L'intégration de la filtration dynamique à cisaillement sera également explorée. Les performances des procédés seront comparées pour identifier les conditions opératoires optimales en termes de rendement et de qualité des fractions obtenues. - Mise à l'échelle pilote et évaluation technico-économique : à l'issue de l'optimisation, les conditions de séparation seront appliquées à une échelle plus grande (au moins 20 litres de produit). Une évaluation technico-économique sera menée pour déterminer les coûts, la rentabilité et la durabilité du procédé, dans le cadre de sa production à l'échelle industrielle pour des applications en biopréservation alimentaire. - Application des fractions enrichies en nisine sur des matrices alimentaires : les fractions enrichies obtenues seront appliquées sur des matrices alimentaires afin d'évaluer leur efficacité en tant que conservateurs naturels. Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet ANR PRC NISINNOV et se réalisera en collaboration étroite avec les laboratoires partenaires du projet : UMET (Centrale Lille) et TIMR (UTC, Compiègne).

Nisin is a bacteriocin produced by lactic acid bacteria strains, exhibiting a broad spectrum of antibacterial activity against Gram-positive bacteria. It is widely used as a natural food additive (E234) due to its low toxicity. In addition to its role as a preservative, nisin is gaining increasing interest as a potential therapeutic agent against bacterial infections. However, current methods for the production and purification of nisin face significant limitations, particularly in terms of yield, cost, and environmental impact, thereby hindering the commercial development of this molecule. In this context, this thesis aims to optimize the purification of nisin using membrane processes by studying the influence of culture media and incorporating pre-purification steps via adsorption/desorption. The objective is to enhance the efficiency of the process while reducing costs and membrane fouling, particularly through the investigation of dynamic shear forces and surface modifications. The project also includes a pilot-scale demonstration of the optimized process and an evaluation of the application of the enriched fractions in food matrices, with the ultimate goal of making nisin production more cost-effective and sustainable. The thesis project is divided into four main parts: Optimization of membrane separation for nisin concentration and purification: Various nisin solutions, including culture supernatants and desorbates obtained through adsorption/desorption on producing cells, will be studied. A comprehensive characterization of the membrane process, purified fractions (nisin concentration, antimicrobial activity), and membranes used (performance, fouling) will be conducted. Improving process performance through strategies such as surface modification to reduce fouling, increase flux, and enhance selectivity. The integration of dynamic shear filtration will also be explored. Process performances will be compared to identify optimal operating conditions in terms of yield and quality of the obtained fractions. Pilot-scale implementation and techno-economic evaluation: Following optimization, the separation conditions will be applied on a larger scale (at least 20 liters of product). A techno-economic evaluation will be conducted to determine costs, profitability, and sustainability of the process in the context of industrial-scale production for food biopreservation applications. Application of nisin-enriched fractions to food matrices: The enriched fractions obtained will be applied to food matrices to evaluate their effectiveness as natural preservatives. This thesis is part of the ANR PRC NISINNOV project and will be carried out in close collaboration with partner laboratories: UMET (Centrale Lille) and TIMR (UTC, Compiègne).