Modelisation et optimisation de l`activite enzymatique pour l

MODELISATION ET OPTIMISATION DE L’ACTIVITE
ENZYMATIQUE POUR L’HYDROLYSE DE L’AMIDON LORS D’UN
PROCEDE DE BRASSAGE
BRANDAM Cédric, BELAUD Jean-Pierre, ALLOULA Karim, MEYER Xuan, STREHAIANO
Pierre et PIBOULEAU Luc
Laboratoire de Génie Chimique, CNRS UMR 5503, INPT-ENSIACET
118 Route de Narbonne, 31077 Toulouse Cedex 4, France
[Cedric.Brandam;JeanPierre.Belaud]@ensiacet.fr
Résumé
Lors du brassage de la bière, la réaction d’hydrolyse de l’amidon met en jeu plusieurs
phénomènes comme la gélatinisation de l’amidon et l’action des enzymes du malt sur les
chaînes gélatinisées pour produire des sucres fermentescibles et des dextrines. Les paramètres
opératoires et tout particulièrement la température ont un effet complexe sur les cinétiques de
ces réactions. La température favorise d’une part les vitesses de production des sucres et de
gélatinisation de l’amidon mais, passé un certain seuil, dégrade la nature de l’enzyme qui perd
alors ses propriétés de catalyseur. Modéliser ces transformations dans le but d’optimiser les
conditions opératoires s’avère alors être une solution intéressante pour le brasseur.
Un modèle a déjà été établi et validé expérimentalement pour représenter l’évolution des
concentrations en amidon, sucres fermentescibles et activité enzymatique en fonction de la
politique de température appliquée. Il est composé de 8 Equations Différentielles Algébriques
avec 17 paramètres identifiés à partir de 17 brassages expérimentaux. Ce modèle permet de
simuler l’hydrolyse de l’amidon d’un brassage réalisé avec du malt d’orge ou du maïs ainsi
que de prendre en compte certaines enzymes exogènes parfois ajoutées pour augmenter les
rendements d’hydrolyse. L’originalité de ce modèle, outre le nouveau schéma réactionnel de
dégradation de l’amidon mis en évidence expérimentalement, réside dans l’expression des
cinétiques des réactions enzymatiques. L’activité globale est représentée par le produit de
deux termes : un correspondant à l’évolution du nombre de sites actifs avec le temps et la
température, l’autre traduisant l’activité spécifique d’un site en fonction de la température.
Le modèle est exprimé dans l’environnement MATLAB afin de s’appuyer sur les
méthodes de résolution associées. Le modèle est également programmé en Fortran 90 afin
d’accroître sa « flexibilité », ceci permettant une utilisation ultérieure selon une approche
orientée composants logiciels. Dans ce cas la librairie numérique IMSL est exploitée. Le
modèle est de nature « hybride » puisqu’il intègre les différentes discontinuités de certains
paramètres comme les constantes cinétiques et les énergies de dénaturation et d’activation qui
sont fonction de la température.
Une optimisation des paramètres opératoires afin d’obtenir une productivité maximale de
la réaction d’hydrolyse sous contraintes d’objectifs qualitatifs du produit final (quantité de
dextrines minimales) est réalisée. Particulièrement nous étudions la politique de température
et la quantité d’enzymes exogènes à introduire initialement.
Ce type de modèle ne doit pas être limité à la seule réaction d’hydrolyse de l’amidon lors
du brassage. Il pourrait être envisagé de le généraliser à d’autres réactions enzymatiques afin
de pouvoir déterminer les paramètres opératoires optimaux de chaque processus industriel.