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Étude des biofilms dans les systèmes de filtration en industrie laitière : mécanismes de formation, caractérisation et stratégies de contrôle

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2018
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La formation de biofilms a longtemps été négligée pour expliquer la diminution des performances à long terme des systèmes de filtration industriels à long terme. Les paramètres opératoires de ces systèmes étaient orientés dans le but de maximiser les flux de perméation, sans égard à l’aspect microbien, et les stratégies de nettoyage utilisées ne ciblaient que l’encrassement chimique des membranes. Des biofilms peuvent pourtant se développer à leur surface, et leur tolérance croissante face aux méthodes classiques de nettoyage les rend particulièrement difficiles à contrôler à long terme. Ces travaux de doctorat avaient pour but de mettre en évidence les paramètres qui affectent la croissance des biofilms se formant à la surface des membranes de filtration et ce, afin d’élaborer une stratégie opératoire, applicable en industrie, pour limiter leur développement. Avant ce projet, quelques études avaient démontré la problématique des biofilms, mais celles-ci étaient limitées à des analyses réalisées par des méthodes de culture (microbiologie classique) ou à des observations par microscopie, laissant dans l’ombre la majorité de l’écosystème microbien se développant à la surface des membranes de filtration. C’est pourquoi le premier défi scientifique consistait à développer une méthode d’analyse dressant un portrait global des bactéries composant ces communautés. Une approche métagénomique ciblant le gène codant pour l’ARN ribosomique 16S (amplicon sequencing) a donc été développée à cette fin. Cette méthode a permis de démontrer l’impact de facteurs tels que la nature du fluide filtré, le prétraitement thermique des fluides avant la filtration, la température d’opération, le type de matériau membranaire ou la durée opératoire sur la composition et la vitesse de formation des biofilms. La première partie des travaux a été réalisée à partir de membranes spiralées industrielles échantillonnées en fin de vie utile. Celles-ci ont d’abord révélé l’importance de la nature du fluide filtré sur la composition de l’écosystème bactérien persistant à la surface des membranes de filtration. Ces premières observations industrielles ont ensuite été validées dans un environnement contrôlé à partir de systèmes modèles de filtration tangentielle ou de type « bioréacteur » imitant l’environnement de filtration et le processus d’encrassement microbiologique des membranes. Ces systèmes ont montré comment la réalisation d’une pasteurisation des fluides avant la filtration affecte les proportions des bactéries thermorésistantes et thermophiles à la surface des membranes de filtration. Leur croissance était particulièrement rapide lorsque la filtration était réalisée à haute température (> 40 °C). À ce titre, les systèmes devraient être opérés moins de 10 h consécutives à 50 °C pour éviter la prolifération de ces bactéries. À la lumière de ces travaux, la température et la durée d’opération, ou encore, l’utilisation de membranes présentant une plus faible rugosité pour réaliser l’ultrafiltration de lactosérum sont des paramètres qui présentent un intérêt afin de ralentir le processus de formation des biofilms, voire de favoriser l’implantation d’une microflore « moins nuisible » à la surface des membranes. Cette thèse, réaliste au fait qu’il est probablement impossible d’éradiquer les biofilms des systèmes de filtration, s’inscrit dans un processus de réflexion sur la définition de la qualité microbiologique des produits laitiers industriels à l’ère de la métagénomique. Maintenant que les méthodes de détection moléculaires permettent une caractérisation précise des microorganismes de l’environnement laitier, la quasi-stérilité des systèmes autrefois recherchée n’est possiblement plus la solution la plus judicieuse pour assurer leur innocuité. Cette thèse amène ainsi une nouvelle vision sur les possibles méthodes de prévention des biofilms, lesquels pourraient se transformer en opportunité pour les industriels laitiers.
Biofilm formation was neglected in the past years to explain long-term performance decrease in industrial filtration systems. Indeed, their operating parameters were selected to improve permeation fluxes as a priority without taking into consideration microbial issues, and the cleaning strategies mainly targeted chemical fouling. However, biofilms can be formed at the filtration membrane surface, and their increasing tolerance to classical cleaning solutions makes them difficult to control in a long-term purpose. This doctoral work was done to evidence the parameters that affect the formation of biofilms on filtration membranes, in order to design an industrial strategy limiting their growth. Before this project, few studies had demonstrated the issue, but they were limited to classical culture-based approaches or to microscopy, which certainly overshadowed the major part of the bacterial ecosystem formed on filtration membranes. Solving this analytical issue and to draw a global portrait of the bacteria among these dairy biofilms represented the very first challenge to address. A targeted metagenomic approach targeting the 16S rRNA gene (amplicon sequencing) was developed. This method enabled to characterize the impact of filtration operational parameters such as the nature of the filtered fluid, the heat-treatment of the feed prior filtration, the feed temperature, the membrane type used to perform filtration or the process duration on the formation speed or the composition of biofilms. The first series of experiments consisted in a preliminary study involving industrial spiral-wound filtration membranes sampled at the end of their useful lifetime. These membranes revealed how the nature of the filtered fluid affects the composition of bacterial communities persisting on membranes following membrane cleaning. Industrial observations were later validated in a controlled environment through the conception of model filtration or bioreactor systems imitating the filtration environment and the membrane biofouling phenomenon. It was shown that the pasteurization of the feeds prior filtration increases the proportions of thermoduric and thermophilic bacteria on membranes. Their growth is particularly fast when filtration is performed at higher temperatures (> 40 °C). Consequently, filtration systems should never be operated more than 10 consecutive h at 50 °C to avoid the proliferation of these bacteria. According to the results obtained for this thesis, operational parameters such as the feed temperature, the duration of the filtration process or the use of a smoother membrane surface to perform whey ultrafiltration exhibited potential to reduce the biofilm growth speed, or even to favor the adhesion of “less detrimental” bacteria on membranes. This thesis, realistic to the fact that it may be impossible to eradicate biofilms from filtration systems, is in line with the reflection process to define the microbial quality of dairy products in the metagenomic era. Molecular detection methods now enable an accurate characterization of microorganisms living in the dairy environment. Systems sterility pursued in the past is possibly no longer the best way to ensure food safety. The new vision presented in this thesis introduces a new philosophy to prevent the negative impacts of biofilms, which could be turn into an opportunity for the dairy industry.
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Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019.
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thèse de doctorat