Etude expérimentale et modélisation des cycles de lyophilisation d’une souche probiotique modèle de type L. Casei

This research project will concern the rational optimization of the freeze-drying cycles of
probiotics, which are food-functional bacteria more and more used with food products (dairy,
etc.) to promote human health. It will realized, in a multidisciplinary approach, by two
complementary laboratories, namely the LAGEPP (University of Lyon 1- UMR 5007) and the
laboratory of Food and Microbiological engineering (University of Dijon-UMR. A 02 102).
Even is freeze-drying is recognized as the most interesting technique, for the preservation and
the storage of these biological products, during this soft drying process many complex
interdependent phenomena are not clearly still understood and controlled. Among the numerous
end-used properties of the lyophilisates, the maintain of the biological stability and activity of
the bacteria at high level represents presently many scientific and industrial challenges. Thus,
the purpose of this thesis project is to determine and to analyze the complex relationships
between the composition of the formulation, the operating parameters - principally the freezing
protocol (freezing rate, annealing) and the sublimation conditions - and the morphological and
biological properties of the final lyophilisates. We will focus our experimental studies on the
characterisation of the position and insertion of bacteria inside the solid phase of the freezedried
matrix in order to try to explain the different defects observed like the bacteria activity
and viability losses and some morphological properties of the final lyophilisates.

Programme de travail :
Relations entre la composition de la formulation et les pertes de viabilité des bactéries
après sublimation
- 1°) étude de la composition de la formulation, notamment de la nature et de la
concentration en sucres (maltodextrines, par exemple) sur la morphologie du congelat
(cristaux de glace).
a) influence de cette composition sur les diagrammes de phase, notamment sur les
températures de transition vitreuse et de collapse, paramètres clefs de sublimation Tg et Tg'.
b) influence du protocole de congélation (vitesse de refroidissement, température de
nucléation, recuit).
Etude des différents stress subis au cours du processus de congélation
- Observation de la structure des cristaux de glace en solution congelée (observation directe
au microscope optique)
- Observation de Lactobacillus casei après congélation (analyse au microscope électronique)
- Élucidation des corrélations entre les conditions de gel, la structure des cristaux de glace,
les dommages causés par Lactobacillus casei, le taux de survie, etc.
-2°) étude liminaire des conditions opératoires optimales de sublimation (température
étagère ; pression chambre) en termes de taux de survie pour une formulation
standard sélectionnée.
- Distribution locale de l'humidité résiduelle (analyse de Karl Fischer, micro IR)
- Caractéristiques de survie de Lactobacillus Casei lors du stockage des lyophilisats
- 3) étude des isothermes de sorption de l'eau des différents lyophilisats
- 4°) caractérisation de la position et de l'insertion des bactéries au sein de la phase solide du
lyophilisat final par MEB pour différentes formulations à base de sucres, tels que les
maltodextrines, le mannitol, etc. pour conditions opératoires (T et P) standard et constantes
- 5°) analyse et tentative d'explication des différents taux de survie observés soit après
l’étape de congélation, soit après l’étape de sublimation
-en fonction de la morphologie des congelats puis des lyophilisats, notamment des
types et modes d'insertion des bactéries au sein du lyophilisat.
- en fonction des teneurs finales en eau des lyophilisats.
L’objectif final de cette étude est la mise au point d'une méthodologie rationnelle
d’optimisation des cycles de lyophilisation qui maximise les taux de survie des bactéries,
principalement en fonction des principaux paramètres tels que la composition de la
formulation bactérienne à base de différents types de sucres et pour différents protocoles de
congélation, ces deux types de paramètres semblant être les paramètres clefs de ces procédés
( Cf. thèse P. Verlhac).
P.VERLHAC, C. COGNE, S. VESSOT, G. DEGOBERT, J. ANDRIEU. Thermodynamical
properties and water states in ternary PVP/Lactose/Water frozen systems. Jl of Chemical
Engineering Data, 2018, 63, 4166-4175
P.VERLHAC, S. VESSOT-CRASTES, G. DEGOBERT, C.COGNE, J. ANDRIEU, L.
BENEY, P. GERVAIS , S. MOUNDANGA. Study and optimization of freeze-drying
cycles of a model probiotic strain. Drying Technology, 2019, November 2019, (on line)

Sous la tutelle de l’Université Lyon 1 et du CNRS, le Laboratoire d’Automatique, de Génie des Procédés et de Génie Pharmaceutique (LAGEPP) est un laboratoire multidisciplinaire qui couvre les domaines du génie des procédés, de l’automatique, du génie des produits, du génie pharmaceutique et de la physicochimie. L’objectif du laboratoire est de conduire des projets de recherche transversaux faisant intervenir des chercheurs de différents champs disciplinaires tout en veillant à maintenir des travaux scientifiques de haut niveau dans chaque champ disciplinaire. Les activités de recherche s’orientent autour de deux grands thèmes scientifiques :

Procédés et processus physicochimiques en milieux complexes dispersés et évolutifs (procédé d’élaboration de nanoparticules, cristallisation, lyophilisation).

Modélisation dynamique, observation et commande des procédés.

Les travaux couvrent des aspects fondamentaux de compréhension et modélisation des phénomènes jusqu’au développement de produits dans les domaines pharmaceutique, cosmétique, énergie, alimentaire…

Le LAGEPP est structuré en quatre équipes scientifiques qui regroupent les chercheurs et enseignants chercheurs spécialistes des trois domaines disciplinaires clés que sont l’automatique, le génie des procédés et le génie pharmaceutique. Les équipes bénéficient du soutien des collègues du service commun organisé selon les compétences en : service Administratif et Financier, service Ingénierie de Projets, service Analyse et Instrumentation et service Informatique.

Le LAGEPP est situé sur trois sites : le site principal sur le campus Lyon-Tech La Doua (Villeurbanne), dans les locaux de ESCPE Lyon, à la Faculté de Pharmacie (site Rockefeller), et à l'IUT de Génie Biologique à Bourg en Bresse.

Le LAGEPP développe de nombreuses collaborations académiques et industrielles, sous la forme de projets institutionnels et de contrats directs (10 projets ANR, 2 projets européens, une dizaine de contrats industriels en cours).

La production scientifique du laboratoire s’élève à plus de 80 publications par an et 12 à 15 docteurs diplômés chaque année.

- Connaissance en physicochimie, génie des procédés et/ou microbiologie alimentaire - Bonnes connaissances en anglais (parlé et écrit) - Capacité à travailler de manière autonome et à participer activement à la vie d’une équipe de recherche jeune et dynamique. - Mobilité (déplacements entre les 2 sites du laboratoire à Lyon et Bourg-en-Bresse).