Modélisation de cultures mixtes de levures pour leur mise en oeuvre optimale dans les bioprocédés

par Paul René Brou

Thèse de doctorat en Génie des Procédés et de l'Environnement

Sous la direction de Cédric Brandam et de Sandra Beaufort.

Le président du jury était Patricia Taillandier.

Le jury était composé de Cédric Brandam, Sandra Beaufort, Patricia Taillandier, Marina Bély, Nicolas Rozès, Behnam Taidi.

Les rapporteurs étaient Marina Bély, Nicolas Rozès.


  • Résumé

    Les potentialités liées aux cultures mixtes de micro-organismes sont immenses et ouvrent de vastes possibilités pour l’innovation dans les bioprocédés. Cependant, étant donné la complexité des phénomènes régulant la physiologie d’un seul micro-organisme, leur mise en oeuvre en culture mixte est d’autant plus difficile à maîtriser que des interactions entre ces micro-organismes viennent s’ajouter. Le travail présenté dans ce manuscrit est une étude d'un couple de levures oenologiques constitué de Saccharomyces cerevisiae et de Torulaspora delbrueckii. Son objectif est d'acquérir des informations expérimentales afin d’analyser et in fine modéliser l'évolution des cultures pures et des cultures mixtes. L'analyse des données expérimentales acquises lors des cultures pures de chaque levure a permis de quantifier l'effet favorable de la concentration initiale d'azote assimilable sur la croissance et la vitesse de fermentation des deux levures. Elle a aussi mis en évidence une prolongation de la phase de latence de T. delbrueckii induite par une augmentation des facteurs anaérobies. Les cultures mixtes ont été réalisées en présence et en absence de membrane de séparation permettant ainsi d'observer les effets du contact physique sur l'évolution des cocultures. Le contact physique influence la dynamique des populations. En culture mixte, S. cerevisiae domine T. delbrueckii dans un milieu synthétique classique. Une augmentation de la concentration initiale de facteurs anaérobies inverse complètement cette domination. L'analyse des résultats expérimentaux nous a orienté vers le développement d'un modèle «stoechio-cinétique» structuré dans lequel l'azote assimilé par la levure se répartit en deux compartiments: le compartiment constitutif et le compartiment de stockage. Ce modèle a permis une représentation fidèle des cinétiques observées en culture pure. La prise en compte des interactions s'est faite en intégrant la compétition pour les substrats, les interactions indirectes et les interactions directes. L'ensemble des hypothèses émises lors de ce travail de modélisation souligne la nécessité d'approfondir les connaissances scientifiques concernant le métabolisme deT. delbrueckii en anaérobiose stricte et l'effet des facteurs anaérobies sur les interactions microbiennes.

  • Titre traduit

    Modeling mixed cultures of yeasts for their optimal implementation in bioprocesses


  • Résumé

    The potentialities associated with cultures of mixed micro-organisms are tremendous and offergreat opportunities for innovation in bioprocesses. The phenomena regulating the physiology of asingle micro-organism are complicated. Furthermore, the eventual additional interactions between two micro-organisms make their implementation in mixed culture difficult to control. The workpresented in this manuscript is a study of a couple of oenological yeasts composed of Saccharomyces cerevisiae and Torulaspora delbrueckii. Its objective is to acquire experimentaldata in order to analyse and ultimately model the evolution of pure and mixed cultures. The analysis of experimental data acquired during the pure cultures of each yeast enable to quantifythe favorable effect of the initial concentration of assimilable nitrogen on the growth and fermentation rate of the two yeasts. It also shows an extended latency phase of T. delbrueckiiinduced by an increase in anaerobic factors. The mixed cultures were carried out in the presenceand absence of separation membrane in order to observe the effects of physical contact on theevolution of cocultures. Physical contact influences population dynamics. In mixed culture, S.cerevisiae dominates T. delbrueckii in a classical synthetic medium. An increase in the initialconcentration of anaerobic factors completely reverses this domination. The analysis of the experimental results has directed us towards the development of a structured stochiometric andkinetic model in which the nitrogen assimilated by the yeast is partitioned into two compartments:the constitutive compartment and the storage compartment. This model faithfully represents thekinetics observed in pure culture. The consideration of interactions was done by integrating competition for substrates, indirect interactions and direct interactions. All the hypotheses emitted during this modelling work underline the need to deepen the scientific knowledge concerning T.delbrueckii metabolism under strict anaerobic conditions and the effect of anaerobic factors onmicrobial interactions


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