Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019. / 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.

L’ultrafiltration (UF) est utilisée en industrie laitière pour la production de concentrés protéiques laitiers. Récemment, des études ont démontré que l’utilisation des hautes pressions hydrostatiques (HPH) permet d’améliorer la durée de vie du lait mais a un effet important sur les protéines (diminution de la taille des micelles de caséine, dénaturation/agrégation des protéines sériques). Ces effets peuvent ainsi altérer les performances du procédé d’UF. Cette étude avait donc pour but de déterminer l’impact d’un prétraitement du lait par HPH (300 et 600 MPa, 5 min) sur les performances du procédé d’UF. L’effet des HPH a d’abord été étudié sur les différentes fractions protéiques du lait. Ensuite, l’UF a été réalisée en mode recirculation totale afin de déterminer les paramètres de filtration optimaux et l’effet des HPH sur les valeurs de flux critiques et limites. Des filtrations en mode concentration ont également été réalisées afin d’évaluer l’effet des HPH sur les flux de perméation et le colmatage. Il a été observé que la taille des micelles de caséine diminue de 32% et 38% et le taux de dénaturation de la bêta-lactoglobuline (β-LG) atteint 30% et 70% après une pressurisation respective à 300 et 600 MPa durant 5 min. En mode recirculation totale, et comparativement au lait témoin, les flux de perméation ont diminué de 25% suite à la filtration des laits pressurisés. En mode concentration, les flux initiaux étaient 30% plus faibles pour les deux traitements HPH comparativement au lait témoin. Le calcul des résistances membranaires a montré un colmatage irréversible plus important à 600 MPa. Finalement, une caractérisation de la couche de colmatage a permis de confirmer que la caséine et la β-LG étaient responsables des baisses de flux. Les résultats démontrent ainsi qu’un traitement HPH altère drastiquement les performances d’UF et modifie la composition de la couche colmatante. / In dairy industry, ultrafiltration (UF) is largely used to produce milk protein concentrates. Recently, it was demonstrated that high hydrostatic pressure (HHP) extended shelf-life of milk but decreased the casein micelle size and induced denaturation and aggregation of whey proteins. Therefore, these modifications could negatively impact UF performances. Consequently, this study aims to determine the impact of skim milk pre-treatment by HHP (300 and 600 MPa, 5 min) on UF performances. Firstly, impact of HHP was studied on proteins which composed the colloidal and serum phases. Afterwards, UF was performed in full recycle mode to determine optimal parameters for the concentration mode and to characterize the impact of pressurization on critical and limiting fluxes. Then, pressure-treated milks were ultrafiltrated in concentration mode to evaluate permeate flux decline and fouling phenomenon. It was observed that casein micelle size decreased by 32% and 38% while β-LG denaturation reached 30% and 70% at 300 and 600 MPa during 5 min, respectively. During pressure-treated milk concentration by UF, initial fluxes were 30% lower at 300 and 600 MPa compared to control. Moreover, hydraulic resistance of membrane indicate a significant irreversible deposition for milk treated at 600 MPa. Finally, the characterization of the fouling layer confirmed that casein and β-LG proteins represented major fouling species at membrane surface after UF of pressure-treated milks, especially at 600 MPa. Consequently, our results demonstrated that HPP treatment of skim milk had major negative impact on UF performance and modified the composition of membrane fouling layer.

Dans la littérature, les propriétés physiques du yogourt en fonction du procédé ou de la formulation ont été beaucoup étudiées. Cependant, les effets du procédé de brassage sur les propriétés du yogourt brassé et sa structure sont peu décrits. Le rebodying durant l’entreposage est lui aussi assez peu décrit et les structures impliquées dans ce phénomène sont absentes dans la littérature. Les structures du yogourt brassé sont souvent observées à toute petite échelle (< µm) ou par des méthodes potentiellement destructrices. Le but de ce projet de thèse était d’étudier l’effet d’un paramètre impactant du procédé de brassage (la température de lissage) en combinaison avec les paramètres de formulation (choix d’ingrédients protéiques, ratio protéique et ferments) sur les structures et les propriétés physiques du yogourt brassé durant l’entreposage. Deux techniques d’analyse innovantes ont été utilisées. Une technique améliorée d’analyse d’image microscopique pour caractériser et quantifier les différences de microstructure des produits obtenues ainsi qu’une technique de RMN à basse fréquence sur les protons (1H-BF-RMN) pour mieux décrire les phénomènes de synérèse dans le gel de yogourt durant l’entreposage. La technique d’imagerie a permis d’observer les structures du gel de yogourt brassé à une échelle entre le micron et le millimètre. Cette technique a permis d’observer des microgels de yogourt et une structure plus diffuse de gel réorganisé. La taille des microgels et le développement du gel réorganisé ont été reliés avec le phénomène de synérèse. Durant l’entreposage, la technique 1H-BF-RMN a permis de suivre la contraction du gel de protéines qui conduit à la fois à une expulsion du sérum durant l’entreposage (synérèse spontanée) et à une immobilisation plus élevée du sérum retenu à l’intérieur du gel. Durant ce projet, l’effet de la température de lissage a été étudié avec trois échelles différentes : échelle laboratoire dans un rhéomètre, échelle technique et échelle semi-industrielle, puis l’évolution des propriétés des yogourts a été étudiée durant plusieurs jours d’entreposage. Les températures de lissage plus hautes produisaient des yogourts avec de plus gros microgels issus à la fois d’un cisaillement moins destructif et de l’agrégation de microgels individuels. La présence de gros microgels était associée à des yogourts plus visqueux et plus fermes. La présence de ces gros microgels était souvent associée à un faible développement de gels réorganisés menant à la formation de poches de sérum et donc plus de synérèse. Réciproquement, les températures de lissage faibles étaient responsables d’une présence en plus grande quantité de gel réorganisé au dépend des microgels de petite taille donnant lieu à des yogourts de faibles viscosité et fermeté. Par contre en ce qui concerne la synérèse, il semblerait qu’en dessous d’une certaine température de lissage, il n’y ait plus assez de gros microgels pour retenir le sérum, et le gel réorganisé ne retient pas suffisamment le sérum pour limiter la synérèse. iii En ce qui concerne les changements de formulation, l’utilisation d’un isolat ou d’un concentrat de protéines du lactosérum pour standardiser le lait n’a eu que très peu d’impact sur les propriétés étudiées du yogourt brassé. Par contre, lorsque la quantité de protéines de lactosérum était augmentée avec des teneurs en caséines et de solides totaux constantes, la fermeté et la viscosité augmentaient avec la taille des microgels, tandis que la synérèse diminuait. De plus, la quantité de protéines sériques contrôle également la capacité des microgels à s’agréger durant l’entreposage. Lorsqu’un changement de ferment était effectué, l’action des exopolysaccharides (EPS) sur les propriétés des yogourts était masquée par le lissage effectué à 4 °C. Globalement, la présence d’EPS texturants empêchait l’agrégation des microgels et produisait des yogourts avec de petits microgels et un gel réorganisé très développé. La présence d’EPS n’a pas permis d’augmenter la fermeté ou la viscosité du yogourt, par contre durant leur écoulement, la structure du gel de yogourt résistait mieux à l’intensité des cisaillements. Cette thèse démontre que la température de lissage est un outil efficace pour contrôler les structures des yogourts brassés et donc les propriétés physiques qui en découlent. Également, le réglage de la température de lissage permet de moduler les effets provoqués par un changement de formulations. Cette thèse offre également de nouvelles techniques d’étude des microgels avec un fort potentiel prédictif qui pourrait être utilisées en industrie. / Yogurt physical properties depending on process, and formulation parameters are widely reported in the literature. However, the effect of the stirring and smoothing process on stirred yogurt and its structure is a subject of fewer studies. The rebodying during storage is also less described and the structures involved are not observed in literature. Stirred yogurt microstructures are often observed at small scales (< µm) or using methods that are destructive. The aim of this project was to study the effect of an impacting stirred yogurt process parameter (smoothing temperature) and the formulation (protein ingredient, protein ratio, and starter) on structural and physical properties of stirred yogurt during storage. Two innovative techniques of analyses were introduced. One microscopic image analysis to characterize and quantify the different microstructures in the product; and one method based on NMR at low frequency on protons ( 1H-LF-NMR) to better describe syneresis phenomena in yogurt gel during storage. The microscopic technique allowed observing structures in the range from a few microns to a millimeter range. It also allowed differentiating a looser gel (reorganized gel) from dense microgels. Microgels size and reorganized gel development were linked to syneresis phenomenon. During storage, the 1H-LF-NMR detected the protein gel contraction, which leads to both a higher content of expelled water during storage (spontaneous syneresis), and more immobilization of the serum still inside the network. During this project, smoothing temperature effect was studied with three different production scales: laboratory scale, technical scale, and semi-industrial scale, then stirred yogurt evolution were studied during storage. Higher smoothing temperature produced larger microgels that came from less destructive shearing and microgel aggregation. Those large microgels were associated with less development of the reorganized gel leading to the formation of areas empty of protein networks responsible for higher syneresis values. However, under a specific smoothing temperature the number and smaller size of microgels are not enough to hold the serum and the reorganized gel is too loose, which produced yogurt with higher syneresis. The effect of formulation had really little impact when comparing between a whey protein concentrate instead of an isolate as the whey protein ingredient for milk standardization. However, at constant casein and total solid contents, when the whey protein content was increased, firmness, viscosity, and microgel sizes increased, while induced syneresis decreased. Moreover, the whey protein quantity controlled how much the microgels aggregated during storage. When the starter was changed, the polysaccharides (EPS) effects on stirred yogurts properties were masked when the smoothing process was realized at 4 °C. Globally the presence of texturing EPS hindered microgel aggregation and produced yogurt with small microgels and a more developed reorganized gel. The presence of texturing EPS did not increase viscosity or firmness, however, during flow experiments, the gel structure had a better resistance toward shearing. v This thesis demonstrates that smoothing temperature is a tool to control stirred yogurt structures and the physical properties that results from structures. Besides, smoothing temperature allows to modulate the effects resulting from formulation changes. This thesis also offers innovative techniques with a strong potential to predict yogurt properties, which can be transferred to industries.

Partie prenante du système de gestion de l'offre canadien, les transformateurs de lait sont des acteurs peu étudiés au sein de la filière laitière. Ce mémoire s'intéresse à leurs récentes modalités de développement, c'est-à-dire aux façons dont ils ont développé leurs activités entre 2010 et 2020. Plus précisément, il porte sur une trentaine de PME québécoises transformant plus de 1 million de litres de lait annuellement. Une grille intégrant les voies de développement et les modes de croissance des entreprises est utilisée pour relever les différentes manœuvres stratégiques utilisées par ces entreprises. Une revue de presse a permis de soulever les diverses manifestations de ces manœuvres stratégiques : investissement sur le site, développement de nouveaux produits, nouvelle activité de restauration, entente contractuelle de production avec d'autres joueurs, acquisition d'entreprise, etc. Le principal constat issu de cette première étape méthodologique est que les entreprises se seraient principalement développées par croissance organique et expansion horizontale sur la période étudiée. Pour certaines d'entre elles, les manœuvres stratégiques utilisées ont été nombreuses et variées, alors que pour d'autres, l'étude n'a pas permis d'en relever. Un second constat d'intérêt est que certaines des entreprises de l'échantillon ont utilisé des manœuvres beaucoup moins communes aux autres PME, soit des manœuvres d'acquisition d'entreprise et de diversification des activités. Afin de comprendre les motivations et les retombées de ces manœuvres particulières dans le secteur de la transformation laitière, quatre entreprises ont été sélectionnées comme étude de cas. Des entretiens semi-dirigés avec un dirigeant de ces entreprises ont permis de rendre compte de l'hétérogénéité des motivations à utiliser ces manœuvres particulières, ainsi que de l'importance des synergies qui peuvent être créées avec les activités existantes de l'entreprise. / Only a few studies exist regarding dairy processors in Quebec. This master's thesis focuses on their recent development methods, more precisely, the ways they used to develop their activities between 2010 and 2020. This study targets about thirty Quebec SMEs that are each transforming 1 million liters of milk annually or more. An effective grid for the development paths and growth modes was used to identify the different strategic maneuvers used by these companies. A review of the existing press on the subject highlighted various manifestations of strategic maneuvers : investment on the site, development of new products, new catering activity, production agreement with other players, business acquisition, etc. The main observation resulting from this first methodological step is that companies developed mainly by organic growth and horizontal expansion during the period of study. Some of those companies combined several strategies and various maneuvers to achieve their goals while others did not reveal any specific strategies. Another revealing discovery is that some companies in the sample studied had an uncommon approach, they mainly benefited from business acquisitions and activity diversification. In order to understand the motivations and repercussions of these particular maneuvers in the dairy processing sector, four companies were selected for case studies. The semi-structured interviews conducted with the managers of these companies allowed to take into account the heterogeneity of motivations that led to particular maneuvers, as well as the importance of the synergies that can be created with the existing activities of the company.

Le lait est un aliment complexe sujet à de nombreuses' réactions d'oxydoréduction, dont l'oxydation de la matière grasse, la dénaturation des protéines et la dégradation des vitamines. Une technique électrochimique a été récemment-proposée pour. contrôler et/ou prévenir les phénomènes d'oxydation dans le lait. Cette procédure vise la réduction, par électrolyse avec membrane, d'espèces électrochimiquement actives présentes dans le lait, ce qui entraîne un abaissement de son potentiel d'oxydoréduction (POR). Le but de cette étude était d'évaluer l'impact du traitement d'électroréduction sur la stabilité des lipides du lait, au cours de leur entreposage à l'obscurité ou sous une lumière fluorescente. Dans cette recherche, une chute significative du POR et une baisse en oxygène dissous (OD) ont été observées pendant le traitement. Pendant l'entreposage des échantillons de lait, l'OD diminue alors que le POR a remonté graduellement, ce qui démontre une instabilité ou une réversibilité des équilibres réactionnels mis en place lors de l'électroréduction. Pendant l'entreposage à l'obscurité aucun changement significatif n'a été observé dans la composition en acides gras, ce qui montre que la baisse en OD n'est pas causée par une oxydation des acides gras. L'entreposage sous une lumière fluorescente entraîne une dégradation des acides gras, alors que l' électroréduction ralentit leur dégradation oxydative comparativement au lait non traité Il est envisageable qu'un traitement électrochimique de réduction du lait permettrait d'augmenter son temps de conservation ainsi que son aptitude à la transformation, en limitant l'oxydation des acides gras.

L’éco-efficacité est un concept qui a été spécifiquement conçu pour le monde de l’entreprise, et qui lie les performances environnementales et économiques d’un produit ou d’un service. Depuis 2012, l’éco-efficacité fait l’objet d’une méthode d’évaluation normalisée (ISO 14045) qui impose l’analyse de cycle de vie pour évaluer les impacts potentiels à l’environnement. L’évaluation de l’éco-efficacité offre ainsi au monde de l’entreprise l’opportunité de prendre des décisions non plus basées uniquement sur des égards économiques, mais prenant aussi en considération les impacts potentiels à l’environnement. Parmi les innombrables activités industrielles susceptibles de tirer profit du concept d’éco-efficacité se trouve la transformation des produits laitiers. En effet, ce secteur de l’industrie agro-alimentaire permet certes de valoriser la matière première laitière, mais exploite parallèlement une part significative des ressources naturelles. Le premier objectif de cette thèse a été de réaliser un état des lieux sur l’évolution et la mise en oeuvre du concept d’éco-efficacité dans le domaine de la transformation laitière. Une première étude a permis d’observer l’activité de transformation des produits laitiers sous une perspective de cycle de vie, et d’explorer les développements successifs du concept d’éco-efficacité dans ce domaine. Cette étude a notamment montré que la simulation de procédés présentait un potentiel intéressant pour lever les difficultés associées à l’évaluation de l’éco-efficacité selon la norme ISO 14045, soit les nécessités de disposer d’inventaires complets de flux de matière et d’énergie et d’une certaine expertise en analyse de cycle de vie. Par conséquent, le second objectif de cette thèse a été de développer un outil de simulation de procédés permettant l’évaluation de l’éco-efficacité des procédés de transformation des produits laitiers. Une seconde étude a ainsi permis le développement d’un prototype de logiciel permettant l’évaluation de l’éco-efficacité des produits laitiers. Ce prototype repose sur un simulateur de procédés spécifiquement développé pour la transformation laitière et intègre des jeux de données d’impacts potentiels à l’environnement. Ces caractéristiques lui permettent de générer des inventaires détaillés de flux de matière et d’énergie, et de procéder à l'évaluation des impacts potentiels à l’environnement, levant ainsi les difficultés identifiées lors de la première étude. Le prototype développé permet non seulement d'évaluer l’éco-efficacité des procédés modélisés, mais aussi d’identifier les opportunités d'améliorations, de comparer plusieurs scénarios de valorisation du lait cru, et d'évaluer la viabilité économique des scénarios modélisés. Cet outil a été utilisé lors d’une troisième et dernière étude, afin d’évaluer la contribution des opérations de séparation par membrane à l’éco-efficacité globale des procédés de transformation des produits laitiers. Ces opérations sont omniprésentes dans le domaine de la transformation laitière et présentent un potentiel non démontré d’amélioration de l’éco-efficacité. Trois scénarios de production de fromage Cheddar ont été comparés dans cette étude : deux intégrant des opérations de séparation par membrane à l’étape de standardisation du lait de fromagerie, et un dénué de telles opérations. Les résultats obtenus ont montré que même si l’introduction de procédés de séparation par membrane à l’étape de standardisation des laits de fromagerie permet d’augmenter significativement les rendements fromagers, elle ne permet pas d’augmenter l’éco-efficacité de cette transformation laitière. L’analyse des résultats a permis de déterminer que les potentiels d’amélioration de l’éco-efficacité par l’introduction de procédés de séparation par membranes se situaient probablement aux étapes de valorisation des sous-produits laitiers. Les travaux de cette thèse ont rencontré l’ensemble de leurs objectifs et contribuent ainsi à rendre l'évaluation de l'éco-efficacité plus accessible à l’ensemble des décideurs liés de près ou de loin à l’industrie de transformation des produits laitiers. / Eco-efficiency is a concept specifically designed for the business world and which links theenvironmental and economic performances of a product or service. Since 2012, eco-efficiency is subject to a standardised assessment (ISO 14045) which imposes life cycle analysis to conduct the assessment of the potential environmental impacts. Eco-efficiency assessment thus offers the business world the opportunity to make decisions not only based on economical criteria but also factoring in the potential environmental impacts. Among the countless industrial activities likely to benefit from the eco-efficiency concept is dairy processing. Indeed, this sector of the agri-food industry surely enables valorisation of dairy raw material but it concomitantly exploits a significant part of the natural resources. The first objective of this thesis was to conduct a state of play on the development and implementation of the ecoefficiency concept in the dairy processing field. A first study enabled to look at the dairy processing activity from a life-cycle perspective, and to investigate the successive developments of the eco-efficiency concept in this field. In particular, the study showed that process simulation presented a sound interest in overcoming the difficulties associated with eco-efficiency assessment according to the ISO 14045 standard: the need for a complete inventory of material and energy flows, and for a certain expertise in life cycle analysis. Therefore, the second objective of this thesis was to develop a process simulation tool enabling the ecoefficiency assessment of the dairy processes. A second study thus led to the development of a software prototype allowing for eco-efficiency assessment of dairy products. This prototype relies on a process simulator specifically designed for dairy processes and which includes datasets of potential environmental impacts. These features allow for both the generation of detailed inventories of material and energy flows and potential environmental impact assessments, thereby overcoming the challenges identified in the first study. The developed prototype not only allows for eco-efficiency assessments of the modelled processes but also enables identification of the improvement opportunities, comparison of multiple scenarios of raw milk valuation, and assessment of the economic viability of the modelled scenarios. This tool was used in a third and last study in order to assess the contribution of pressure driven filtration operations to the overall eco-efficiency of dairy processes. These operations are omnipresent in the dairy processing activity and hold a potential for eco-efficiency improvement which has not been yet demonstrated. Three scenarios of Cheddar cheese production were compared in this study: two integrating pressure driven filtration processes at the cheese milk standardisation stage, and one that did not include such operations. Results revealed that although introducing pressure driven filtration processes at the cheese milk standardisation stage can significantly improve the cheese yields, it does not allow for an improvement of the eco-efficiency of the cheese production process. Analysis of the results showed that t he potentials for eco-efficiency improvements in dairy processing through the introduction of pressure driven filtration operations could probably be achieved by incorporating them in the by-product valuation processes. The research work conducted within the framework of this thesis fulfilled all the different objectives set and therefore should help make eco-efficiency assessment more accessible to all the decision-makers related in one way or another to the dairy processing industry.

Pour accroître la performance de leurs troupeaux, les producteurs laitiers du Canada ajustent la nutrition des vaches laitières et améliorent ainsi les rendements de production, en plus d'augmenter la teneur en matière grasse du lait. Depuis des décennies, ils incorporent divers suppléments lipidiques dans l'alimentation des animaux pour ce faire. La modification de la fréquence de traite est un autre outil pour améliorer les performances de production à la ferme. Ce projet de maîtrise visait à mieux comprendre l'effet de la supplémentation de la ration en acide palmitique à partir d'un coproduit de la production d'huile de palme, mais également de l'augmentation de la fréquence de traite et de l'interaction des deux pratiques sur les propriétés technologiques du lait à sa transformation. L'objectif était d'analyser comment ces pratiques affectaient la coagulation enzymatique du lait, l'expulsion du lactosérum du caillé fromager ainsi que la composition et l'affinage des fromages résultants. Dans le cadre du projet, les effets de la modification de la fréquence de traite ont été étudiés en comparant deux traites par jour à trois traites par jour. Un supplément d'acide palmitique, coproduit de l'extraction d'huile de palme, était ajouté à l'alimentation des vaches laitières. Finalement, l'effet d'interaction des deux pratiques (fréquence de traite et supplémentation) a été évalué. Pour garantir que seul le profil en acides gras du lait variait, sa standardisation en caséines et en matière grasse était nécessaire. Ces laits standardisés ont ensuite été transformés en fromage cheddar à l'échelle pilote. Les analyses ont porté sur la cinétique de coagulation du lait, les propriétés de drainage du caillé, la composition globale des fromages, les rendements de production ainsi que la rétention des protéines et de la matière grasse. Un suivi de l'affinage sur une période de 84 jours a été effectué via des analyses de texture, de protéolyse et de lipolyse. Les résultats ont montré que ni la supplémentation lipidique ni la fréquence de traite n'avaient d'impact sur les propriétés de coagulation du lait standardisé, la composition des fromages ou les rendements de fabrication. Cependant, traire les vaches trois fois par jour au lieu de deux a entraîné une augmentation significative des acides gras libres dans le fromage. Sans nuire à la qualité du lait frais, cette pratique influence la dégradation des lipides au cours de l'affinage. Ces expériences ont montré que les pratiques de traite et de supplémentation lipidique à la ferme n'ont pas d'incidence sur la qualité du lait ou la performance du procédé fromager, lorsque le lait est standardisé en caséines et en matière grasse. Aucun effet d'interaction n'a étalement été observé. Cependant, les réactions d'affinage, en particulier la libération d'acides gras libres suivant la lipolyse, peuvent être influencées par l'augmentation de la fréquence de traite. Quoique la qualité globale du lait cru n'a pas été affectée par les pratiques de traite et de supplémentation, ce projet démontre que certaines d'entre elles, comme la fréquence de traite, peuvent influencer la qualité de produits laitiers transformés à longue durée de vie comme le fromage cheddar affiné. / To enhance the performance of their herds, Canadian dairy producers are adjusting the nutrition of dairy cattle to improve production yields and increase milk fat content. For decades, they have been incorporating various lipid supplements into the cows' diet to achieve this. Changing the milking frequency is another tool to improve milk production. This project aimed to better understand the effect of supplementing the diet with palmitic acid from a byproduct of palm oil production, as well as increasing the milking frequency and the interaction of both practices on the technological properties of milk during processing. The objective was to analyse how these on-farm practices affect the enzymatic coagulation of milk, whey expulsion from the cheese curd, and the composition and aging of the resulting cheeses. As part of the project, the effects of changing the milking frequency were studied by comparing twice-daily milking to thrice-daily milking. Additionally, palmitic acid was added as a byproduct of palm oil extraction to the dairy cows' feed. Finally, the interaction effect of the two practices (milking frequency and supplementation) was evaluated. To ensure that only the milk fatty acid profile varied, standardization in caseins and fat was necessary. These standardized milks were then processed into Cheddar cheese on a pilot scale. Analyses focused on the milk coagulation kinetic, the curd draining properties, the overall composition of the cheeses, production yields, as well as the retention of proteins and fat. Cheese ripening was monitored over a period of 84 days through texture, proteolysis, and lipolysis analyses. The results showed that neither lipid supplementation nor milking frequency impacted the milk coagulation properties, cheese composition, or manufacturing yields. However, milking cows three times a day instead of two led to a significant increase in free fatty acids in cheese. While not affecting the quality of fresh milk, this practice influences lipids degradation during cheese ripening. These experiments showed that milking and lipid supplementation practices on the farm do not impact milk quality or cheesemaking process when milk is standardized in caseins and fat. No interaction effect was observed either. However, ripening reactions, especially the release of free fatty acids, may be influenced by increasing the milking frequency. Although the overall quality of raw milk was not affected by milking and supplementation practices, this project demonstrates that some practices, such as milking frequency, can influence the quality of long-aged dairy products like ripened Cheddar cheese.

En industrie de transformation laitière, 6.3 litres d’eau potable sont en moyenne nécessaires pour traiter 1 litre de lait. Au Québec cela correspond à l’utilisation de 13,6 millions de m³ d’eau par année pour le secteur de la transformation laitière soit 160,000 m³ d’eau en moyenne par usine. Cette consommation pourrait cependant être considérablement réduite si l’eau, principal constituant du lait (teneur moyenne de 88%), était valorisée à diverses fins dans les usines de transformation (eau potable, vapeur alimentaire, eau de rinçage, préparation de solution lavage). Il est connu que l’osmose inverse (OI) permet d’extraire une partie de l’eau des fluides laitiers. Des traitements physiques ou chimiques additionnels sont cependant nécessaires pour contrôler les qualités physico-chimiques et microbiologiques de l’eau en fonction des usages prévus en usine, mais également afin de se conformer aux exigences règlementaires. Ainsi, le présent projet visait à identifier les conditions de concentration par OI des fluides laitiers (lait, lactosérum, perméat d’ultrafiltration) qui permettent de générer différentes eaux de procédé tout en minimisant la consommation énergétique. Nos travaux visaient également à générer des données technico-économiques relativement à la production en interne d’eaux des procédés à partir de fluides laitiers convnetionnels en industrie soient le lait, le perméat d’ultrafiltration et le lactosérum issu de transformation fromagère. Les données expérimentales générées ont permis de démontrer que l’OI seule n’était pas suffisante pour générer de l’eau de procédé avec une conductivité acceptable pour la réutilisation, à savoir inférieure à 10μS/cm. Combiné au procédé de polissage, le processus de récupération d’eau atteint en revanche des performances de réduction de la conductivité supérieure à 99,9%. Sur l’ensemble des résultats générés, le scénario du perméat d’UF présentait les meilleures performances opératoires et économiques dans le cadre de l’étude pilote. En effet, du point de vue des performances générales de filtration, les flux de perméation, les besoins énergétiques et les coûts d’opération sont notamment dépendants de la complexité en matière de composition du fluide considéré. Le choix du fluide à partir duquel la récupération d’eau se fait doit cependant prendre en compte l’ensemble du procédé de transformation du lait afin d’améliorer au mieux l’éco-efficience des usines. / The processing of 1 liter of milk requires 6.3 liters of drinking water. As a consequence, in Quebec the dairy industry uses on average 13.6 million m³ of water per year, about 160,000 m³ of water per plant. As the milk contains mostly water (88%), drinking water consumption could be reduced if the cow water was valued in dairies, for instance reused as process water (as drinking water, heat transfer vector, rinsing, washing). Indeed most of the water contained in milk can be extracted by reverse osmosis (RO) processing. Depending on its final utilization, physical or chemical treatments are required to ensure the microbiological and chemical safety of the water, then to meet the quality requirements for the water reclaimed from milk. In this way, our project aimed at identifying the optimal conditions for concentration of dairy fluids (milk, whey, UF permeate) by RO to produce high-potential water for several purposes in the plant and minimize the energy use. Our work intent was also to generate technical and economic data relating to the processing of cow water. Experimental datas showed that a single RO step was not sufficient to produce process water winth an accepatable conductivity for reuse (<10μS/cm). However RO/polishing steps allowed to reach a 99.9% reduction of conductivity in the water produced. UF permeate sequence reached the best operating and economic performances at pilot scale. Indeed, overall filtration performances as permeation flux, energetic consumption and economic cost depended on the composition of the different fluids. The reclaiming and recycling water process from dairy fluids must take into account the overal dairy processing to improve the eco-efficiency in dairy plants.

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.