Un des défis actuels lancés au génie des procédés et des bioprocédés est l’intensification des procédés, faisant appel à des technologies hybrides pouvant combiner des opérations multiples dans un même appareillage ou à des agencements d’opérations unitaires flexibles, sobres et performantes. Les objectifs sont alors de "produire mieux en utilisant moins", dans de plus petits volumes, avec une meilleure efficacité et une plus grande sélectivité, en utilisant moins d’énergie, d’eau, de matières premières, de solvants.

Pour réaliser certaines étapes de transformation, la mise en œuvre de réactions chimiques et biochimiques, via l’utilisation de micro-organismes, constitue une stratégie pertinente pour répondre à ces enjeux. De même, pour d’autres étapes en amont et/ou aval (essentiellement des procédés de séparation), la compréhension et la caractérisation des phénomènes physico-chimiques dans des milieux complexes font partie des stratégies d’optimisation. De nouvelles approches systémiques sont déployées en abordant de manière intégrée production et transformation de matières renouvelables en aliments et bioproduits, incluant une stabilisation permettant de pérenniser leurs fonctionnalités lors du stockage. Un des enjeux concerne également la prise en compte des impacts environnementaux dans le processus de (re-)conception de produits et de procédés.

Nos activités en quelques mots-clés :

• Procédés microbiologiques : fermentations lactique et acétique, bioconversion microbienne ; évaluation de l’état cellulaire ; évaluation des réponses biophysiques et physiologiques des microorganismes
• Procédés de stabilisation : congélation, lyophilisation, séchage à l'air et à la vapeur d'eau surchauffée
• Procédés de séparation : membranaires (UF, NF, OI, électrodialyse, pervaporation, contacteurs membranaires), chromatographiques (adsorption, échange d’ions)
• Intégration des procédés : couplage de procédés et/ou bioprocédés ; intégration énergétique ; méthodes d’optimisation
• Intensification de procédés : à l’échelle de l’opération unitaire, de procédés couplés, de l’usine
• Evaluation des impacts environnementaux

Question de recherche et expertises scientifiques :

Les travaux de l’équipe ProBioSSep (Procédés microBiologiques, Stabilisation, Séparation) s’articulent autour d’une question centrale : « Comment concevoir et optimiser des procédés de production/stabilisation ou production/séparation intégrant les dimensions : qualité du produit, performances des procédés et impacts environnementaux ? ».

Pour y répondre :

• nous étudions des procédés de séparation membranaires et chromatographiques, des procédés de stabilisation par congélation et lyophilisation et des procédés de séchage, pour comprendre et modéliser les mécanismes qui gouvernent les transferts, modéliser les procédés associés, en vue d’optimiser leurs performances.
• nous mettons en œuvre des procédés microbiens (fermentation et bioconversion) : nous optimisons leur conduite en vue de maximiser l’expression de fonctionnalités biologiques d’intérêt et nous caractérisons les réponses biophysiques et physiologiques des micro-organismes au cours des procédés par une approche multi-échelles.
• nous nous intéressons à l’intensification des procédés en améliorant les performances de transfert de chaleur, de masse, de quantité de mouvement et de réactivité.
• nous étudions des couplages d’opérations unitaires, par exemple la fermentation extractive, les procédés membranaires en cascades, tout en minimisant les consommations d’utilités (énergie, solvants, eaux de process), et plus globalement, les impacts environnementaux.
• nous déployons des stratégies d’optimisation de grande envergure, à l’échelle de l’usine, pour améliorer l’efficacité énergétique et minimiser la consommation d’eau.

Nos objets d’étude :

Nous nous intéressons à la fois à des milieux et matrices réelles, relativement complexes (ex : moûts de fermentation, hydrolysats, effluents, coproduits agro-industriels), à des procédés contribuant à leur utilisation ou à leur obtention (procédés biotechnologiques et/ou procédés séparatifs), et à des produits d’intérêt qui en sont issus (micro-organismes présentant une fonctionnalité d’intérêt, molécules "plateformes", acides organiques, composés d’arômes).

Concernant les fonctionnalités microbiennes, nos travaux s’intéressent aux micro-organismes d’intérêt que l’on va mettre en œuvre dans des bioréacteurs pour obtenir (1) soit une biomasse microbienne dans des conditions maitrisées, qui est ensuite stabilisée par congélation, lyophilisation ou séchage et dont les performances et les fonctionnalités (ex : capacité d’acidification) sont in fine caractérisées selon différents critères, (2) soit des molécules d’intérêt grâce à des biotransformations, en particulier à partir de coproduits ou d’effluents agro-industriels sur lesquels des opérations unitaires peuvent être appliquées au sein de procédés couplés voire intégrés.

De manière transversale à ces deux illustrations, notre stratégie de couplage vise à optimiser les procédés étudiés selon plusieurs critères, comme par exemple la minimisation des utilités (énergie, eau, effluents), notamment en utilisant les méthodes « Pinch » sur l’eau et les méthodes d’Analyse du Cycle de Vie.