Thèse Détection Rf Non Invasive et Contrôle Prédictif des Procédés pour une Fermentation de Précision du Café Vers une Amélioration de la Qualité de la Reproductibilité et de la Durabilité H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering Laboratoire de recherche : Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies Direction de la thèse : Pierre-Yves JOUBERT ORCID 0000000261217188 Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-11-30T23:59:59 La fermentation joue un rôle essentiel dans le développement des propriétés aromatiques et sensorielles du café. Toutefois, les transformations microbiennes et biochimiques qui se produisent au cours de cette étape dépendent de nombreux facteurs, notamment de la qualité de la matière première, des communautés microbiennes et des conditions opératoires. Cette complexité peut entraîner une variabilité importante entre les lots, des défauts sensoriels et des pertes de qualité. Une maîtrise insuffisante de la fermentation peut également accroître la consommation d'eau et d'énergie, ainsi que la production de déchets organiques et d'effluents. Le développement de méthodes de suivi fiables et accessibles constitue donc un enjeu majeur pour améliorer la qualité, la reproductibilité et la durabilité de la production de café.

Cette thèse vise à développer et à valider une méthode de suivi non invasif de la fermentation du café reposant sur des capteurs radiofréquences (RF) inductifs. Placés à l'extérieur du bioréacteur, ces capteurs mesurent les variations des propriétés diélectriques complexes du milieu de fermentation à travers la paroi, sans contact direct avec le produit. Cette approche pourrait permettre un suivi continu, à faible coût et sans intrusion dans le milieu, tandis que des mesures à plusieurs fréquences pourraient fournir des informations complémentaires sur son évolution.

Le projet combinera le développement et la caractérisation des capteurs RF, l'instrumentation de bioréacteurs, des essais de fermentation contrôlée et la modélisation des données. Dans un premier temps, la sensibilité des capteurs sera étudiée à l'aide de milieux modèles, en évaluant notamment l'influence de la concentration en sucres, des acides organiques, de la force ionique, de la température et des matériaux constituant la paroi du bioréacteur. Les capteurs seront ensuite intégrés à un dispositif expérimental pour suivre des fermentations de café, spontanées ou inoculées avec des levures sélectionnées.

Les mesures RF seront combinées à celles de capteurs conventionnels - pH, température, conductivité électrique et potentiel d'oxydoréduction - ainsi qu'à des analyses chimiques de référence par chromatographie liquide haute performance (HPLC), notamment pour quantifier les sucres et les acides organiques. Ces données permettront d'étudier les relations entre les propriétés diélectriques du milieu, la dynamique de fermentation et les transformations biochimiques. Des modèles multimodaux seront ensuite développés afin d'estimer l'état d'avancement de la fermentation et de prédire son point final, en évaluant leur robustesse et leur reproductibilité entre différents lots. Lorsque cela sera possible, les résultats seront également mis en relation avec la qualité sensorielle du café obtenu.

Mené dans le cadre d'une cotutelle internationale entre l'Université Paris-Saclay, en France, et l'Université de São Paulo, au Brésil, ce projet associe des compétences en capteurs RF, instrumentation, microbiologie et génie des bioprocédés. Il ambitionne de déterminer dans quelle mesure cette technologie peut contribuer à une surveillance plus fiable de la fermentation et, à terme, favoriser des procédés de production du café mieux maîtrisés, reproductibles et durables. Coffee quality depends on several interacting factors, including variety, fruit maturity, growing conditions, post-harvest processing, drying and roasting. Among these stages, fermentation plays a key role: microbial activity and associated biochemical transformations modify the composition of the coffee and contribute to its aroma, flavour, acidity and overall sensory profile. However, fermentation remains difficult to control because its dynamics depend on the raw material, microbial communities and operating conditions.
Variations in temperature, oxygen availability, moisture content, fermentation duration and processing methods can lead to inconsistent outcomes, even between apparently similar batches. Uncontrolled fermentation may also result in undesirable flavours and reduced product quality. Process standardisation, reproducibility, safety and the development of accessible monitoring technologies are therefore major challenges for the coffee sector.
Addressing these challenges requires robust fermentation protocols capable of consistently delivering targeted sensory characteristics. This calls for a quantitative understanding of fermentation kinetics and of the relationships between operating conditions, microbial activity, biochemical transformations and final product quality. Reproducible experiments and well-characterised process conditions are also essential to validate new approaches and facilitate their transfer from laboratory studies to production settings.
Achieving these objectives requires instrumented bioreactors that enable continuous monitoring and, where appropriate, control of key process parameters. These include:
- pH: to track acidification and changes associated with microbial activity.
- Temperature: to characterise fermentation kinetics and identify thermal variations.
- Electrical conductivity (EC): to monitor changes in the ionic composition of the medium.
- Intermittent chemical analyses: to quantify sugars, organic acids and other relevant metabolites, providing reference data for interpreting online measurements.
Combining these measurements with controlled experimental conditions, fermentation records and final quality assessments including sensory evaluation and, where relevant, volatile compound analysis will help identify critical process parameters, establish reproducible endpoints and develop reliable monitoring and control strategies. Although research on controlled coffee fermentation and bioreactor technologies has progressed, practical solutions for robust, continuous and accessible process monitoring remain an important area for further investigation. The main objective of this research is to develop and validate a non-invasive method for monitoring coffee fermentation using inductive radiofrequency (RF) sensors capable of measuring changes in the dielectric properties of the fermentation medium through the bioreactor wall. The study will establish quantitative relationships between RF measurements, biochemical transformations and fermentation dynamics by comparing sensor data with conventional measurements and reference chemical analyses. It will also aim to develop predictive models to estimate fermentation progress and identify the endpoint. Ultimately, this research seeks to improve process control, enhance coffee quality, increase fermentation reproducibility and contribute to more sustainable coffee production. A promising way to address these limitations is to develop a non-contact technique for continuously monitoring coffee fermentation. Conventional probes require direct contact with the fermentation medium and may need regular cleaning and calibration. Their use can also be challenging in heterogeneous systems containing suspended solids. Meanwhile, intermittent chemical analyses provide valuable reference data but cannot capture all the rapid changes occurring throughout fermentation.
Contactless monitoring could overcome some of these limitations by providing continuous information without introducing a sensor into the product. When combined with periodic reference analyses, such measurements could support the development of calibration models to track physicochemical changes and infer aspects of the underlying biochemical evolution.
This project will investigate inductive radiofrequency (RF) sensors that monitor changes in the complex dielectric properties of the fermentation medium. These sensors can operate through the bioreactor wall, offering a relatively simple, low-cost and non-invasive approach to continuous monitoring. Multifrequency configurations can provide complementary dielectric information and potentially reveal variations within the monitored volume. Their ability to track fermentation dynamics reliably, however, must be established through systematic calibration and experimental validation.

Le candidat ou la candidate devra être titulaire d'un master en biotechnologie industrielle, en ingénierie ou dans un domaine étroitement apparenté, et posséder des connaissances théoriques ainsi qu'une expérience pratique en électronique, mécatronique, instrumentation, automatisation et systèmes d'acquisition de données.

Une importance particulière sera accordée à la capacité à mobiliser et à intégrer des compétences en génie électrique, en mécatronique et en biotechnologie afin de développer des solutions innovantes à des défis technologiques, notamment dans la conception, l'instrumentation, le suivi et le contrôle de bioréacteurs destinés à la fermentation contrôlée du café.

Les compétences recherchées comprennent notamment l'intégration de capteurs, la programmation de systèmes embarqués, le traitement du signal et l'analyse de données expérimentales. Le candidat ou la candidate devra également manifester un vif intérêt pour le développement de technologies de détection par radiofréquences (RF) non invasives, visant à améliorer le suivi des bioprocédés, leur reproductibilité et leur efficacité.

Une excellente maîtrise de l'anglais, à l'écrit comme à l'oral, est également requise, ainsi qu'une forte motivation, une bonne capacité d'adaptation et la volonté de s'investir dans une thèse en cotutelle impliquant des séjours de recherche au Brésil et en France, au sein d'un environnement de recherche collaboratif international.