Thèse Modélisation Multiphysique de la Fermentation en Bioréacteur pour la Maîtrise de la Sécurité Sanitaire des Produits Végétaux Fermentés. H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Bretagne Occidentale École doctorale : École doctorale Écologie, Géosciences, Agronomie et Alimentation Laboratoire de recherche : Laboratoire universitaire de biodiversité et écologie microbienne Direction de la thèse : Louis COROLLER Date limite de candidature : 2026-05-28T00:00:00

Le développement de produits fermentés à base de substrats végétaux constitue un enjeu scientifique et technologique majeur dans le contexte actuel de transition alimentaire. Contrairement au lait animal, les matières premières d'origine végétale présentent une contamination microbienne naturellement élevée et riche en bactéries sporulées pathogènes ou d'altération. Cette spécificité soulève des problématiques critiques de sécurité sanitaire, de stabilité du produit et de reproductibilité industrielle. La maîtrise de la germination des spores bactériennes et de leur compétition avec les ferments représente ainsi un verrou scientifique majeur pour la production de produits fermentés à base végétale. L'objectif de cette thèse est de développer une approche intégrée, combinant modélisation multiphysique et validation expérimentale, afin de mieux comprendre et maîtriser les mécanismes gouvernant la fermentation de substrats végétaux en bioréacteur. La fermentation implique des phénomènes non linéaires et fortement couplés (croissance microbienne, transfert de chaleur et de matière). La température impacte la vitesse de croissance des ferments et d'acidification du substrat, ce qui a un impact direct sur les microorganismes d'altération et la structuration du milieu. Ainsi, des hétérogénéités locales de température au sein du bioréacteur peuvent induire des gradients de pH favorisant localement la germination et la croissance des spores. Le travail doctoral portera sur le développement d'un modèle multiphysique couplant l'hydrodynamique d'un milieu non newtonien, le transfert thermique, le transport des espèces acides, la dynamique de pH, la cinétique de croissance des ferments lactiques ainsi que les mécanismes de germination des spores bactériennes indésirables, au sein d'un bioréacteur. Ce modèle permettra d'analyser l'influence des conditions opératoires (agitation, dynamique de température) sur la sécurité sanitaire et la qualité finale du produit. Le modèle développé sera validé expérimentalement sur un bioréacteur (pilote de laboratoire), permettant la mesure conjointe des indicateurs physico-chimiques et microbiologiques. Cette étape de validation constituera un levier essentiel pour assurer la robustesse du modèle et permettre son exploitation. Les résultats attendus permettront de proposer des stratégies de pilotage du procédé transférables à l'échelle industrielle. Les modèles produits pourront être intégrés à un jumeau numérique pour aider à la conduite des procédés.

Etapes principales de la thèse: Le projet de recherche est articulé autour de trois axes majeurs, allant de la compréhension fondamentale du système à sa validation en conditions industrielles : 1. Modélisation multiphysique et caractérisation biologique L'objectif initial est de développer un modèle numérique couplant les phénomènes physiques (thermique, hydraulique) et les dynamiques biologiques. Ce développement s'appuiera sur des campagnes de caractérisation expérimentale pour identifier les paramètres clés, afin de garantir la fiabilité des simulations en régimes permanent et transitoire (suivi précis de la dynamique du pH, de la température, etc.) sur des configurations standards. 2. Optimisation systémique et stratégie de métrologie La seconde phase vise à transformer le modèle en un véritable outil d'aide à la décision et au pilotage. Une étude de sensibilité sera réalisée pour identifier les zones critiques du système et définir le positionnement optimal de l'instrumentation (sondes), afin de maximiser la précision des diagnostics et de renforcer les capacités prévisionnelles du modèle. 3. Généricité, scénarios d'exploitation et changement d'échelle La dernière étape portera sur la robustesse de la méthodologie face à la diversité des contextes industriels. L'analyse des effets d'échelle ( scale-up ) et l'étude de scénarios d'exploitation variés seront conduites pour démontrer la capacité de l'approche à s'adapter à des volumes augmentés, via le réglage ( tuning ) des composants critiques (mobiles d'agitation, puissance thermique, etc.). Moyens disponibles, Collaborations scientifiques (nature/pays) et partenariat socio-économique envisagé. Le projet sera co-encadré par des membres du LUBEM et de l'IRDL. A ce titre, les moyens des deux laboratoires seront mis à disposition pour ce travail de thèse. Le descriptif des moyens est disponible sur le site des laboratoires : https://www.univ-brest.fr/lubem , https://www.irdl.fr/ . L'IRDL mobilisera son expertise dans le développement d'un modèle multiphysique représentatif des phénomènes de transfert thermique, massique et des cinétiques réactionnelles au sein du bioréacteur dans une démarche incluant sa validation expérimentale. Le LUBEM apportera son expertise sur la physiologie bactérienne, en particulier les bactéries sporulées, en microbiologie prévisionnelle. Le LUBEM et l'IRDL travaillent en collaboration avec le LabSTICC sur les jumeaux numériques et leur utilisation dans le secteur agroalimentaire. L'association du LUBEM et de l'ADRIA est reconnue par le Ministère en charge de l'agriculture depuis 20 ans dans le cadre d'une Unité Mixte de Technologie (UMT ACTIA TransiSpore). Louis COROLLER est président du comité scientifique et technique du GIS Sym'Previus qui développe des modèles de microbiologie prévisionnelle et réunit les centres techniques ACTIA. Les modèles développés dans cette thèse pourront être utiles aux différents centres techniques.

Enjeux du projet Le projet de thèse s'inscrit dans une dynamique de transformation des systèmes alimentaires visant à concilier sécurité sanitaire, durabilité environnementale et santé des populations. Le développement croissant de produits fermentés à base de matrices végétales constitue une évolution majeure des régimes alimentaires, encouragée pour ses bénéfices environnementaux et sociétaux. Toutefois, cette transition s'accompagne de nouveaux risques microbiologiques, liés à la présence naturelle de bactéries sporulées issues des matières premières végétales, encore insuffisamment maîtrisés à l'échelle des procédés. La maîtrise des phénomènes de germination des bactéries sporulées lors de la fermentation de matrices végétales répond directement à un enjeu de santé publique, en limitant les risques d'exposition du consommateur à des microorganismes indésirables ou à leurs toxines. Elle participe également à la santé environnementale, en sécurisant le développement de filières alimentaires alternatives à faible impact environnemental, sans transfert de risque sanitaire lié au changement de matières premières. Le projet adopte une approche intégrée en considérant simultanément les interactions entre conditions de procédé, dynamique microbienne et structuration du produit fermenté. Cette vision systémique permet d'anticiper les mécanismes d'émergence des risques biologiques plutôt que de les traiter a posteriori . En produisant des outils de compréhension et de prévision applicables au changement d'échelle industriel, la thèse contribuera à une transition alimentaire plus sûre et plus durable, fondée sur une articulation cohérente entre innovation technologique, protection de la santé humaine et préservation des écosystèmes. En fournissant des outils prédictifs pour le pilotage et l'optimisation des conditions opératoires, la thèse contribuera à améliorer la robustesse des procédés, à réduire les pertes de production et à renforcer la reproductibilité industrielle. Les résultats favoriseront le transfert de connaissances vers les entreprises agroalimentaires du territoire, en particulier les PME, en soutenant l'émergence de filières végétales innovantes capables de proposer des produits fermentés sûrs, de qualité et accessibles au plus grand nombre.
Etapes principales de la thèse:

Le projet de recherche est articulé autour de trois axes majeurs, allant de la compréhension fondamentale du système à sa validation en conditions industrielles :

1. Modélisation multiphysique et caractérisation biologique

L'objectif initial est de développer un modèle numérique couplant les phénomènes physiques (thermique, hydraulique) et les dynamiques biologiques. Ce développement s'appuiera sur des campagnes de caractérisation expérimentale pour identifier les paramètres clés, afin de garantir la fiabilité des simulations en régimes permanent et transitoire (suivi précis de la dynamique du pH, de la température, etc.) sur des configurations standards.

2. Optimisation systémique et stratégie de métrologie

La seconde phase vise à transformer le modèle en un véritable outil d'aide à la décision et au pilotage. Une étude de sensibilité sera réalisée pour identifier les zones critiques du système et définir le positionnement optimal de l'instrumentation (sondes), afin de maximiser la précision des diagnostics et de renforcer les capacités prévisionnelles du modèle.

3. Généricité, scénarios d'exploitation et changement d'échelle

La dernière étape portera sur la robustesse de la méthodologie face à la diversité des contextes industriels. L'analyse des effets d'échelle (scale-up) et l'étude de scénarios d'exploitation variés seront conduites pour démontrer la capacité de l'approche à s'adapter à des volumes augmentés, via le réglage (tuning) des composants critiques (mobiles d'agitation, puissance thermique, etc.).