Caractérisation de l'impact des conditions opératoires sur l'efficience d'un procédé de concentration du lait par ultrafiltration

Les concentrés de protéines de lait sont couramment utilisés comme ingrédients lors de la standardisation du lait de fromagerie. La concentration des protéines est généralement réalisée par ultrafiltration (UF) à l’aide de membranes polymériques ayant un seuil de coupure de 10 kDa, et ce, jusqu’à un facteur de concentration volumique de 3.5X. Dans l’optique d’améliorer l’efficience du procédé d’UF, l’étude avait pour but de caractériser l’impact du mode opératoire (pression transmembranaire constante (465 et 672 kPa) et flux constant) ainsi que la température (10°C et 50°C) sur la performance du système jusqu’à un facteur de concentration volumique de 3.6X. Le module de filtration à l’échelle pilote comprenait une membrane d’UF en polyéthersulfone de 10 kDa d’une surface de 2,04 m2. La performance du système a été caractérisée sur le flux de perméation, la sélectivité et la consommation énergétique totale. L’étude a montré que le flux de perméation était 1,9 fois plus élevé à une température de 50°C comparativement à 10°C lors de l’UF du lait. Le coefficient de rejet des protéines n’a pas été affecté significativement par la pression transmembranaire et la température (P< 0,05). L’effet de la température a été observé au niveau de la teneur en calcium, laquelle était plus élevée de 12% dans les rétentats générés à 50C. La consommation énergétique totale du système d’UF était plus élevée à 10C comparativement à 50C, représentant 0,32±0,02 et 0,26±0,04 kWh/kg rétentat respectivement. Les résultats montrent que le ratio d’efficience énergétique (rapport entre le flux de perméation et la consommation énergétique) optimal a été obtenu à faible pression transmembranaire constante et à 50C. L’approche développée dans le cadre de ce projet fournira des outils aux industriels laitiers pour améliorer l’éco-efficience de leurs procédés de séparation baromembranaire.

Relations entre la composition du lait et les facteurs alimentaires dans les troupeaux laitiers québécois

L’objectif général des travaux présentes dans cette thèse de doctorat était d’établir la relation entre l’alimentation et la composition du lait des vaches laitières, en mettant l’emphase sur les teneurs en matières grasses (TMG), sur l’urée du lait et sur l’efficience d’utilisation de l’azote. Pour la TMG, c’est principalement la relation entre cette teneur et la différence alimentaire cations-anions (DACA) qui a été investiguée. Une base de données de 2 142 troupeaux québécois a été utilisée et la relation entre la composition de la ration, incluant la DACA, et la TMG du lait a été déterminée à l’aide de régressions multiples. Il a été possible de prédire entre 32 et 66 % de la variation de la TMG du lait en fonction du stade de lactation. Malgré plusieurs interactions trouvées, une augmentation de la DACA, une supplémentation avec de l’acide palmitique et une distribution des aliments en ration totale mélangée ont eu une relation positive avec la TMG du lait, tandis qu’une augmentation de la proportion de concentrés dans la ration a eu un effet négatif. Les modèles développés ont montré l’importance de la gestion de l’alimentation sur la TMG du lait. En plus, ils ont démontré l’intérêt de considérer la DACA dans la formulation de rations chez la vache laitière. Dans une deuxième étude, la même base des données a été utilisée pour identifier les facteurs nutritionnels qui peuvent faire varier la teneur en urée du lait. Contrairement à ce qui est mentionné dans la littérature, tant des corrélations positives et que négatives entre les teneurs en urée du lait et en protéines des rations à l’intérieur des troupeaux sur une période de 36 mois ont été obtenues. Pour mieux comprendre ces relations, les résultats de performances et d’alimentation de 100 troupeaux avec des corrélations positives (r > 0,69) et de 100 troupeaux avec des corrélations négatives (r < -0,44) entre la teneur en urée du lait et en protéine brute de la ration ont été comparés. Les résultats n’ont pas montré de différences entre les deux groupes ni pour la composition de la ration, ni pour l’urée du lait. Ces résultats ne permettent pas d’identifier le meilleur contexte pour l’utilisation de la teneur en urée du lait comme un outil de gestion de l’alimentation. Ces observations soulèvent des questions sur la validité de l’utilisation des statistiques d’alimentation provenant de la base de données utilisée pour des évaluations nutritionnelles plus spécifiques. Considérant les résultats du projet précédent, le dernier projet visait à mieux comprendre les caractéristiques des fermes avec différentes efficiences d’utilisation de l’azote en utilisant des données plus fiables. Ainsi, 100 fermes laitières au Québec ont été visitées pour recueillir les données de production, de consommation d’aliments et de gestion de leur troupeau. Ces fermes ont été divisées en quatre groupes par une analyse en grappes selon leur efficience d’utilisation de l’azote. La comparaison entre les groupes a montré que les fermes dans les groupes avec une plus haute efficience d’utilisation d’azote ont une production laitière moyenne par vache plus élevée. Pour les stratégies d’alimentation, les fermes plus efficientes donnent plus d’énergie, mais moins de protéines brutes que les fermes des groupes moins efficients. Les résultats ont également montré l’importance de la prise alimentaire des vaches sur l’efficience d’utilisation de l’azote puisque les fermes des groupes avec la plus grande efficience étaient également celles avec la plus faible prise alimentaire. Aussi, les résultats n’ont pas permis d’établir clairement la relation entre la teneur en urée du lait et l’efficience de l’utilisation de l’azote. En effet, des valeurs différentes pour l’urée du lait étaient obtenues entre le groupe plus efficient et le moins efficient, mais la faible ampleur de variation de l’efficience d’utilisation de l’azote des groupes intermédiaires n’a pas permis d’observer de différences pour l’urée du lait. Finalement, outre une réduction des risques de pollution, les fermes des groupes plus efficaces pour l’utilisation de l’azote étaient également celles avec la marge sur les coûts d’alimentation par les vaches plus élevées. Par conséquent, il y a aussi un intérêt économique à améliorer l’efficience de l’utilisation de l’azote sur les fermes.

Optical and mechanical analysis on a biological cell in optical tweezers

La réponse mécanique d’une cellule à une force externe permet d’inférer sa structure et fonction. Les pinces optiques s’avèrent une approche particulièrement attrayante pour la manipulation et caractérisation biophysique sophistiquée des cellules de façon non invasive. Cette thèse explore l’utilisation de trois types de pinces optiques couramment utilisées : 1) statiques (static), 2) à exposition partagée (time-sharing) et 3) oscillantes (oscillating). L’utilisation d’un code basé sur la méthode des éléments finis en trois dimensions (3DFEM) nous permet de modéliser ces trois types de piégeage optique afin d’extraire les propriétés mécaniques cellulaires à partir des expériences. La combinaison des pinces optiques avec la mécanique des cellules requiert des compétences interdisciplinaires. Une revue des approches expérimentales sur le piégeage optique et les tests unicellulaires est présentée. Les bases théoriques liant l’interaction entre la force radiative optique et la réponse mécanique de la cellule aussi. Pour la première fois, une simulation adaptée (3DFEM) incluant la diffusion lumineuse et la distribution du stress radiatif permet de prédire la déformation d’une cellule biconcave –analogue aux globules rouges—dans un piège statique double (static dual-trap). À l’équilibre, on observe que la déformation finale est donnée par l’espacement entre les deux faisceaux lasers: la cellule peut être étirée ou même comprimée. L’exposition partagée (time-sharing) est la technique qui permet de maintenir plusieurs sites de piégeage simultanément à partir du même faisceau laser. Notre analyse quantitative montre que, même oscillantes, la force optique et la déformation sont omniprésentes dans la cellule : la déformation viscoélastique et la dissipation de l’énergie sont analysées. Une autre cellule-type, la tige cubique, est étudiée : cela nous permet d’élucider de nouvelles propriétés sur la symétrie de la réponse mécanique. Enfin, l’analyse de la déformation résolue en temps dans un piége statique ou à exposition partagée montre que la déformation dépend simultanément de la viscoélasticité, la force externe et sa forme tridimensionnelle. La technique à force oscillante (oscillating tweezers) montre toutefois un décalage temporel, entre la force et la déformation, indépendant de la forme 3D; cette approche donnerait directement accès au tenseur viscoélastique complexe de la cellule.

Validation d'une technique de réduction de la production de méthane d'origine digestive chez la vache laitière en conditions commerciales

L’objectif principal de la présente recherche était d’évaluer les effets d’un supplément de lin extrudé dans la ration de troupeaux laitiers québécois sur les performances de production et les émissions de méthane (CH4) par les vaches laitières. Trente fermes ont été sélectionnées et divisées en deux groupes. Un premier groupe de 15 fermes a servi de témoin; les producteurs n’y ont pas apporté de changement à l’alimentation des vaches. Les 15 autres troupeaux formaient le groupe lin; les producteurs ont ajouté de 200 à 900 g/jour de supplément de lin extrudé (moyenne de 700 g/vache/jour) dans l’alimentation selon le stade de lactation. La période expérimentale s’est déroulée pendant les mois d’avril à octobre 2013. L’ajout de supplément de lin extrudé dans la ration a fait augmenter la production laitière de 3 % chez les troupeaux recevant le supplément comparativement aux troupeaux du groupe témoin (P < 0,05). L’ingestion de matière sèche a été similaire entre les deux groupes expérimentaux. Puisque la production laitière a été augmentée, l’efficacité alimentaire s’est améliorée de 6 % pour les troupeaux recevant le supplément de lin extrudé (P = 0,02). La teneur et la production de matières grasses du lait ont été similaires pour les deux groupes expérimentaux. La teneur en protéines du lait a diminué (P < 0,01), mais leur production n’a pas été affectée (P = 0,17), tandis que la production de lactose a augmenté (P = 0,02) lors de l’ajout du supplément de lin extrudé dans la ration sans en influencer la teneur (P = 0,60). La teneur en acides gras ω-3 a augmenté de 38 % dans les matières grasses du lait des troupeaux recevant le supplément (P < 0,01). Lorsqu’exprimées sur une base d’unité de lait produit, les émissions de CH4 estimées à partir de la composition en acides gras du lait, ont été réduites de 9,4 % pour les troupeaux recevant le supplément de lin extrudé comparativement au groupe témoin. En conclusion, une supplémentation modérée de lin extrudé (700 g/vache/jour) constitue un moyen pour réduire les émissions de CH4 tout en améliorant les performances de production des troupeaux laitiers et la qualité nutritionnelle du lait.

Impact du stress métabolique sur la programmation épigénétique de l'embryon bovin

Depuis plus de 40 ans, il est connu que les fœtus de mammifères sont sensibles aux conditions métaboliques de la mère durant la gestation. On commence à comprendre aujourd’hui les principes moléculaires de ces observations épidémiologiques. L’épigénétique définit cette nouvelle réalité et semble être la voie par laquelle l’environnement influence l’expression des gènes à plus ou moins long terme. Cette réalité est aussi présente en production laitière où les vaches en plus de montrer une production de lait accrue doivent soutenir le développement d’un fœtus. La forte mobilisation des réserves graisseuses associées à cette condition peut venir modifier la composition du milieu ovarien ainsi qu’utérin, et par le fait même, créer une dysfonction du métabolisme mitochondriale qui provoquera une augmentation du stress oxydatif. Cette modification peut pousser l’ovule ou l’embryon à modifier considérablement sa programmation épigénétique dans le but de s’adapter à ce signe de déficit métabolique. Dans cette étude, nous avons fait subir un stress métabolique à des embryons bovins in vitro afin de valider l’impact d’une telle perturbation sur l’épigénome embryonnaire. Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence une tendance à l’hypométhylation dans les régions télomériques de la majorité des chromosomes ainsi que des modifications sur des gènes reliés au métabolisme énergétique. Il devient donc important d’étudier ces modifications sur le développement et les performances futures de l’embryon et ce afin de mieux comprendre les impacts que certains types de rations ou habitudes de régie peuvent avoir sur le potentiel productif et reproductif des animaux de relève. Ces connaissances nous permettront d’adapter notre régie afin de maximiser le potentiel productif des animaux de l’industrie laitière québécoise et de conserver notre place parmi les leaders mondiaux de ce secteur de production.

The role of glass modifiers in the solubility of Tm3+ ions in As2S3 glasses

Au cours des années une variété des compositions de verre chalcogénure a été étudiée en tant qu’une matrice hôte pour les ions Terres Rares (TR). Pourtant, l’obtention d’une matrice de verre avec une haute solubilité des ions TR et la fabrication d’une fibre chalcogénure dopée au TR avec une bonne qualité optique reste toujours un grand défi. La présente thèse de doctorat se concentre sur l’étude de nouveaux systèmes vitreux comme des matrices hôtes pour le dopage des ions TR, ce qui a permis d’obtenir des fibres optiques dopées au TR qui sont transparents dans l’IR proche et moyenne. Les systèmes vitreux étudiés ont été basés sur le verre de sulfure d’arsenic (As2S3) co-dopé aux ions de Tm3+ et aux différents modificateurs du verre. Premièrement, l’addition de Gallium (Ga), comme un co-dopant, a été examinée et son influence sur les propriétés d’émission des ions de Tm a été explorée. Avec l’incorporation de Ga, la matrice d’As2S3 dopée au Tm a montré trois bandes d’émission à 1.2 μm (1H5→3H6), 1.4 μm (3H4→3F4) et 1.8 μm (3F4→3H6), sous l’excitation des longueurs d’onde de 698 nm et 800 nm. Les concentrations de Tm et de Ga ont été optimisées afin d’obtenir le meilleur rendement possible de photoluminescence. À partir de la composition optimale, la fibre Ga-As-S dopée au Tm3+ a été étirée et ses propriétés de luminescence ont été étudiées. Un mécanisme de formation structurale a été proposé pour ce système vitreux par la caractérisation structurale des verres Ga-As-S dopés au Tm3+, en utilisant la spectroscopie Raman et l’analyse de spectrométrie d’absorption des rayons X (EXAFS) à seuil K d’As, seuil K de Ga et seuil L3 de Tm et il a été corrélé avec les caractéristiques de luminescence de Tm. Dans la deuxième partie, la modification des verres As2S3 dopés au Tm3+, avec l’incorporation d’halogénures (Iode (I2)), a été étudiée en tant qu’une méthode pour l’adaptation des paramètres du procédé de purification afin d’obtenir une matrice de verre de haute pureté par distillation chimique. Les trois bandes d’émission susmentionnées ont été aussi bien observées pour ce système sous l’excitation à 800 nm. Les propriétés optiques, thermiques et structurelles de ces systèmes vitreux ont été caractérisées expérimentalement en fonction de la concentration d’I2 et de Tm dans le verre, où l’attention a été concentrée sur deux aspects principaux: l’influence de la concentration d’I2 sur l’intensité d’émission de Tm et les mécanismes responsables pour l’augmentation de la solubilité des ions de Tm dans la matrice d’As2S3 avec l’addition I2.

Isomérisation du lactose en lactulose en solution modèle de lactose et dans du perméat de lactosérum par électro-activation supportée par échange ionique sur résine

L’isomérisation alcaline du lactose en lactulose a été effectuée électro-chimiquement à l’aide d’un réacteur d’électro-activation en combinaison avec des résines échangeuses d’anions de polystyrène de trois types; à savoir Lewatit VP-OC-1065 faible-acide, Lewatit MP-64 moyenne-acide et Lewatit Monoplus M500 forte-acide. Les paramètres opératoires qui ont fait l’objet de cette étude ont été étudiés sur trois blocs expérimentaux pour optimiser le système. Dans le Premier bloc, les paramètres étudiés sont : (1) ratio lactose-5%(p/v) : résine échangeuse d’anions (1:0.5, 1:1 et 1:2), (2) intensité du champ électrique : 50 mA, 100 mA et 200 mA et (3) type de résines : faible, moyenne et forte. Dans le Deuxième bloc, les paramètres mis à l’étude comprenaient : (1) l’intensité du champ électrique : 300 mA, 450 mA et 550 mA, (2) le débit de la solution traitée : 25 ml / min, 50 ml/ min et 100 ml/min et (3) la surface active de la membrane adjacente au compartiment cathodique : 0.78 cm2, 7.06 cm2 et 18.1 cm2. Le Troisième bloc expérimental a été effectué sur la base de la distance entre la membrane et l’électrode : 3.1 cm, 5.6 cm et 9 cm. Le même modèle expérimental a était également réalisé avec du perméat du lactosérum d’une concentration de 7% (p/v). Les résultats obtenus ont révélé que le meilleur rendement de l’isomérisation du lactose en lactulose était obtenu après 30 minutes d’électroactivation en utilisant une solution modèle de lactose-5% avec une valeur d’environ 20.1%. Les conditions opératoires qui ont permis d’avoir ce taux de conversion sont une intensité du courant de 550 mA, un débit de la solution de 25 ml/min, une surface active de la membrane de 7.06 cm2 et une distance de 9 cm entre la cathode et la membrane qui lui y est adjacente. En utilisant le perméat de lactosérum-7%, un taux de conversion de lactose en lactulose de 8.34% a était obtenu avec une intensité du courant de 200 mA, un débit de 120 ml/min, une surface active de de 18.1cm2 et une distance de 9 cm entre la membrane et l’électrode dans le compartiment cathodique. Les analyses de variance ont indiqué un effet catalytique significatif du type de la résine. En effet, la résine-forte a permis d’avoir les plus hauts rendements de la réaction d’isomérisation par électro-activation. La résistance électrique globale du système d’électroactivation dépendait de la valeur de l’intensité du courant. Le produit final était d’une grande pureté, car il ne présentait que quelques traces de galactose (< 4%).

Étude comparative de deux méthodes de fabrication de yogourt grec à échelle pilote utilisant l’ultrafiltration comme technique de concentration - Étude basée sur la méthode d’Analyse de Cycle de Vie

Le yogourt grec, pouvant être obtenu par concentration du yogourt traditionnel par ultrafiltration (UF), connaît une croissance exceptionnelle en Amérique du Nord (+100% depuis 2012), et représente le premier segment de marché des produits laitiers fermentés en 2014. Cependant, d’un point de vue environnemental, la production du yogourt grec fait face à plusieurs enjeux et défis. Son élaboration nécessite trois fois plus de lait que le yogourt traditionnel de par l’étape de concentration nécessaire à l’atteinte de la concentration protéique cible. De plus, l’étape d’UF du yogourt génère un perméat acide (coproduit du yogourt) difficilement valorisable. Néanmoins, une alternative consistant à effectuer l’étape d’UF sur le lait avant sa fermentation permet d’éliminer la production du perméat acide, et génère un perméat de lactosérum doux déprotéiné dont les voies de valorisation sont davantage connues. Cette stratégie pourrait donc potentiellement réduire l’impact environnemental du procédé et générer des coproduits plus facilement valorisables, améliorant ainsi l’écoefficience du procédé de fabrication de yogourt grec. Dans cette optique, ce projet de recherche visait à comparer l’impact environnemental sur l’ensemble du cycle de vie de la production de yogourt grec selon deux procédés : en effectuant l’étape de concentration par UF avant l’étape de fermentation (UF LAIT), ou après (UF YOG) comme utilisé dans l’industrie. Ainsi, des expérimentations à échelle pilote ont été réalisées dans le but de comparer ces deux procédés. Le nouveau procédé (UF LAIT) permettrait une réduction des consommations d’énergie à l’étape de transformation étant donné que l’UF du lait avant fermentation permet de réduire la quantité de matière première à transformer d’environ un tiers. Cependant l’Analyse du Cycle de Vie (ACV) des deux procédés donne comme résultat un bilan environnemental défavorable à (UF LAIT) comparativement au procédé traditionnel (UF YOG) à cause d’une plus grande consommation de lait, qui est responsable d’environ 80% des impacts sur le cycle de vie du yogourt grec. Cet impact majeur pour UF LAIT l’est encore même lorsque dans une analyse de sensibilité le perméat doux de UF LAIT est alloué à l’étape d’UF contrairement au perméat acide de UF YOG qui est considéré comme un déchet non valorisable.

Amplification d’impulsions brèves de haute énergie par effet Raman stimulé dans les fibres optiques

Le développement au cours des dernières décennies de lasers à fibre à verrouillage de modes permet aujourd’hui d’avoir accès à des sources fiables d’impulsions femtosecondes qui sont utilisées autant dans les laboratoires de recherche que pour des applications commerciales. Grâce à leur large bande passante ainsi qu’à leur excellente dissipation de chaleur, les fibres dopées avec des ions de terres rares ont permis l’amplification et la génération d’impulsions brèves de haute énergie avec une forte cadence. Cependant, les effets non linéaires causés par la faible taille du faisceau dans la fibre ainsi que la saturation de l’inversion de population du milieu compliquent l’utilisation d’amplificateurs fibrés pour l’obtention d’impulsions brèves dont l’énergie dépasse le millijoule. Diverses stratégies comme l’étirement des impulsions à des durées de l’ordre de la nanoseconde, l’utilisation de fibres à cristaux photoniques ayant un coeur plus large et l’amplification en parallèle ont permis de contourner ces limitations pour obtenir des impulsions de quelques millijoules ayant une durée inférieure à la picoseconde. Ce mémoire de maîtrise présente une nouvelle approche pour l’amplification d’impulsions brèves utilisant la diffusion Raman des verres de silice comme milieu de gain. Il est connu que cet effet non linéaire permet l’amplification avec une large bande passante et ce dernier est d’ailleurs couramment utilisé aujourd’hui dans les réseaux de télécommunications par fibre optique. Puisque l’adaptation des schémas d’amplification Raman existants aux impulsions brèves de haute énergie n’est pas directe, on propose plutôt un schéma consistant à transférer l’énergie d’une impulsion pompe quasi monochromatique à une impulsion signal brève étirée avec une dérive en fréquence. Afin d’évaluer le potentiel du gain Raman pour l’amplification d’impulsions brèves, ce mémoire présente un modèle analytique permettant de prédire les caractéristiques de l’impulsion amplifiée selon celles de la pompe et le milieu dans lequel elles se propagent. On trouve alors que la bande passante élevée du gain Raman des verres de silice ainsi que sa saturation inhomogène permettent l’amplification d’impulsions signal à une énergie comparable à celle de la pompe tout en conservant une largeur spectrale élevée supportant la compression à des durées très brèves. Quelques variantes du schéma d’amplification sont proposées, et leur potentiel est évalué par l’utilisation du modèle analytique ou de simulations numériques. On prédit analytiquement et numériquement l’amplification Raman d’impulsions à des énergies de quelques millijoules, dont la durée est inférieure à 150 fs et dont la puissance crête avoisine 20 GW.