29/04/2020

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Cours de Microbiologie industrielleL3 microbiologieDr. DRICHE E-H

Université Hassiba Benbouali de chlefFaculté de SNVDépartement de biologie

Milieux de culture et

fermentation industrielleCHAPITRE II

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v Pour la production de métabolites secondaires, (les antibiotiques, leur biosynthèse n'est pas liée à la croissance),

les milieux sont conçus pour fournir une période initiale de croissance cellulaire, suivie de conditions optimisées

pour la production de métabolites secondaires.

1-Introduction

v Les milieux de culture utilisés en industrie sont essentiels pour la grande majorité des microorganismes industriels qui sont des chimiohétérotrophes

v Le milieu de culture peut se définir comme le milieu permettant la production de la biomassecellulaire, la synthèse du produit désiré. Il doit contenir au moins une source de carbone, d’azote,d’oxygène (pour une culture aérobie), d’hydrogène, des certains oligo-éléments, des vitamines, desfacteurs de croissance et des précurseurs métaboliques.

v De plus, un agent anti mousse et des produits chimiques tampons peuvent également être ajoutés dans le milieu.

v Lorsque la biomasse constitue le produit cible, le milieu de production doit permettre une croissanceoptimale du microorganisme.

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2. Composition du milieu

synthétique complexeSemi- synthétique

Ile milieu de culture peut être :

2.1.-Sources de carbone

v Le glucose est une excellente source de carbone pour stimuler la croissance microbienne. Mais le glucose peut avoir des effets indésirables sur la production de métabolites secondaires.

vLe glucose est additionné au début de la fermentation pendant la phase de croissance pour favoriser au maximum la croissance et ne fournir pendant la phase de production que des quantités minimales non inhibitrices

v Lactose est l’un des sucres lentement métabolisables, et n’inhibe pas la production de lapénicilline après hydrolysation du lactose en galactose et glucose,

v le saccharose et dextrane sont souvent utilisés comme source de carbone simple, mais ils peuvent être fournis dans un substrat industriel complexe tel que la mélasse, (non seulement la source de carbone, azotées, des vitamines et des oligo-éléments). 3

3

Le choix de la source de carbone, qui représente généralement le coût principal des matières premières, dépend des cultures:

Ø Par exemple, les microbes producteurs d'amylase peuvent utiliser de l'amidon et des dextrines au lieu du glucose plus coûteux

Ø Yarrowia lipolytica, est capable de dégrader les lipides, les protéines et les n-paraffines en tant

que source unique de carbone.-Candida peut assimiler les n-alcanes et acides gras en tant que sources de carbone

2.2. Sources d’azotes

1- L'azote inorganique :sels d'ammonium de sulfate (NH4

+SO4-) et

le phosphate de d'ammonium (NH₄)₂HPO₄) ou l'ammoniac (NH3).

Ce denier est utilisé pour ajuster le pH de la fermentation

2-Azote organiques : les acides aminés, les protéines et l’urée

ex: le maïs, les extraits de levure, lespeptones et la farine de soja (riches enprotéines, des acides nucléiques, des vitamines,des oligoéléments, des lipides, des sucres, dusoufre et du phosphate). 4

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Les sels minéraux sont très essentiels ayant des rôles très divers :-Eléments constitutifs des antibiotiques (P, S, Cl…). ; de la biomasse (Mg, P, Cl, Ca, Fe,..)- Responsable de la pression osmotique (NaCl, KCl,….); Modificateur de pH (CaCO3….)--Agents de précipitation (NH4

-SO4-2 ); Catalyseurs de réaction (Mg+2, Mn+2, Fe+2/ +3, Zn).

2.4.-Vitamines et facteurs de croissance

vLes vitamines sont des composés organiques essentiels pour la croissance des microorganismesv Ils peuvent être ajouter comme suppléments au milieu de fermentation pour certains

microorganismes (bactéries, champignons et levures).

Les précurseurs sont des molécules intermédiaires qui servent de substrats de départ des réactions aucours de la biosynthèse de métabolites secondaires tels que des antibiotiques.Ø Ils sont souvent ajoutés de manière contrôlée et sous une forme relativement pure. Par exemples :- L'acide phénylacétique est ajouté pour la chaîne latérale dans la production de pénicilline.- D-thréonine est utilisé comme précurseur dans la production de L-isoleucine par Serratia

marsescens .

2.3. Sels minéraux :

2.5.-Précurseurs

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Ø L’eau est un composant majeur dans tous les milieux de culture et responsable de toutes lesréactions métaboliques des processus de fermentation industrielle (sauf les fermentations sursubstrat solide).

Ø Elle fournit également des oligo-éléments nécessaires pour la croissance.Ø Sa qualité est très importante pour obtenir des cultures optimales et reproductibles ( ex: L’eau

déminéralisée, déionisée sont obtenues par des techniques de filtrations sur membranes)

Un milieu doit être stérile avant d’être ensemencé par la souche productrice. v Le traitement thermique est le moyen le plus utilisé pour stériliser le milieu; mais il présente

l’inconvénient d’altérer et de modifier les qualités du milieu à cause de la dégradation depolymères (protéines, acide nucléiques), des vitamines et d’acide aminés comme letryptophane et l’asparagine, ce qui entraîne parfois la formation de produits de dégradationtoxiques ou inhibiteurs de croissance.

2.6.-Eau

3.-Stérilisation de milieux de culture

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4. Exemples de milieux industrielsLes milieux de culture industriels sont très divers et peuvent être utilisés pour :v La croissance et la production de la biomasse cellulaire et les protéines d’origine

microbienne.v - La production de nombreux métabolites primaires et secondaires dans des bioréacteurs.v - le contrôle microbiologie (recherche de germes pathogènes) de matières brutes produites finis,v -Recherche de nouvelles souches d’intérêt industriel (Isolement, identification, repiquage)

La formulation du milieu est déterminée par la nature des produits de fermentation souhaités et par la culture utilisée.

Ce sont des milieux bien définis ayant desquantités spécifiques de composés chimiquespurs et une composition chimique identifiable.

Ils ont plus reproductibles, donnant à l'opérateurun meilleur contrôle de la fermentation, maissont plus coûteux que les milieux complexes

4.2.-Milieux semisynthétiquesCe sont des milieux dont la composition exacte n’est pas connaît que pour certains composants

Ils contiennent des sources de carbones simples (leglucose, etc) où complexé (amidon, cellulose, etc) et sourced’azote simples (minérales : NH4

+SO4-, NO3

-, etc ; ouorganiques : acide aminés) où complexe (extrait de levure,de la peptone, etc).

-utilisés comme milieux pour la production des enzymes,acides aminés, les antibiotiques et antifongiques, etc.

4.1.-Milieux synthétiques

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4.2.-Milieux semisynthétiques

Ø Ce sont des milieux dont la composition exacte

n’est pas connaît que pour certains composants

Ø Ils contiennent des sources de carbones simples(comme le glucose, etc) où complexé (amidon,cellulose, etc) et source d’azote simples(minérales : NH4

+SO4-, NO3

-, etc ; ouorganiques : acide aminés) où complexe (extraitde levure, de la peptone, etc).

Ø souvent utilisés comme milieux optimisés pour laproduction des enzymes, acides aminés, où desmétabolismes secondaires (les antibiotiques etantifongiques, etc.)

Ø Ce sont des milieux contenant des

composés naturels dont la composition

chimique précise n’est pas connue tels que

l'extrait de levure, de peptone, de mélasse,

Ø Ils fournissent des nutriments nécessaires

et génèrent des rendements cellulaires

supérieurs aux milieux définis.

Ø Pour des raisons économiques, les milieux

complexes sont largement utilisés dans les

fermentations industrielles

4.3.- Milieux complexes

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4.4.- Autres milieux de culture4.4.1. Milieux de sélectifs

Ø Ils permettent uniquement la croissance decertains genres de micro-organismes.

Ø Ils contiennent des éléments inhibant lacroissance des micro-organismes indésirables.

Ø Ces éléments peuvent être une source nutritivedéterminée (azote, carbone) des agentschimiques (pH, le cristal violet, bleu deméthylène, etc), des sels minéraux (NaCl, NaS04), des antibiotiques (à spectre étroit ou large),antifongiques (actidione, etc).

Ø Le choix de ces éléments dépend descaractéristiques du micro-organisme recherché.

Les milieux sélectifs sont utilisés aux laboratoires pourisoler un groupe de microorganismes d’intérêt industrieloù pour le contrôle microbiologique des matières brutesou des produits finis lors de la fermentation industrielle

-Chitine –vitamine B =l’isolement d’actinobactérie.

-Milieu de Sabouraud ou PDA = des champignons

-Milieu de Chapman = les staphylocoques.-Milieu EMB =: les bactéries intestinales à Gram -.-Gélose MacConkey (MCK) ou gélose Drigalski : =

des bacilles à GRAM négatif.

-Gélose (S.S.) Salmonella et des Shigella .-Gélose M17 et bouillon M.R.S: =lactocoques, des streptocoques, et des Lactobacillus,

respectivement.-Cultures enrichis : Ils sont utilisés pour l'obtention

des bactéries dites exigeantes. Ex, lesmilieux au sang frais (streptocoques),Gélose Baird Parker (avec du sérum) pourisoler des Staphylococcus aureus.

Exemples des milieux sélectifs

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2.4.2. Milieux non sélectifs

v Les milieux non sélectifs permettent la croissance des bactéries non exigeantes des sucres

nutritives particulières.

v La composition de ces milieux est simple et sans effet de sélection. Un exemple de milieu

ordinaire pourrait être la gélose nutritive, PCA, ISP2, Bennett, etc.

3.-Choix des matières premières les plus adaptés

Ø Le milieu de culture est varié d’un microorganisme à l’autre.

Ø Sa composition détermine le coût total d’un procédé particulier. Ainsi, les matières brutes choisies

doivent être peu coûteuses et servent de sources de carbones, d’azote et de phosphore ainsi que

comme facteurs de croissance.

Ø Parmi-elles, les hydrolysats végétaux bruts, les mélasses et le lactosérum obtenu lors de la

fabrication du fromage. 10

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Ø Les mélasses de betteraves et de canne à sucre : riches en saccharose, permettent

d’obtenir des biomasses protéiques ou des levures pour la panification.

Ø Le lactosérum: est un excellent milieu de culture permettent le développement des

levures utilisant le lactose.

Ø L’amidon : est utilisé comme matière première pour la production industrielle des

protéines

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II.- Bioréacteur et systèmes de fermentation industrielle

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Ø Le bioréacteur (appelé aussi fermenteur) est un appareil (ou cuve) qui permet la croissancedes microorganismes (levures, bactéries, champignons microscopiques, algues) pour laproduction de biomasse, de métabolites primaires et secondaires ou encore labioconversion d'une molécule d'intérêt.

-les concentrations de biomasse,-l’apport de nutriments,-les conditions stériles,-le retrait du produit,-les agitations efficaces,

Ø l’inhibition du produit, Ø l’évacuation de la chaleurØ l’aération et les métabolismes

1.- Définition de bioréacteur

Ø Il assure le contrôle les contions physicochimiques (température, pH, aération, etc.) pour avoir unbon rendement de productivité.

Ø La performance de tout bioréacteur dépend de nombreuses fonctions

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Les fermenteurs industriels peuvent être classés en plusieurs groupes selon l’agitation, la culture, levolume de culture, etc. Il existe deux types d’agitation avec des propriétés différentes

.1.-Selon agitation

3.-Différents types de fermenteurs

le plus simple (allant d’un litre à 500.000 litres)

schéma général d’un bioréacteur à agitation mécanique

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1-Bioréacteur à agitation mécanique 2.-Agitateurs rotatifs à débit radial

-C’est le modèle le plus employé et le plus simple. -Il existe en volumes allant d’un l à 500.000 litres

1.1-Agitateurs rotatifs à débit radial :

1.2-Agitateurs rotatifs à débit axial

-L’agitation génère un mouvement axial du liquide grâce à une action de pompage

-La turbine génère un mouvement radial, puis axiallorsque le liquide rencontre la paroi de la cuve. `-entraîne une bonne efficacité de transfert de 02 -Il convient bien aux bactéries et levures

-L’efficacité de transfert de l’02 n’est pas bonne. - utilisé pour les cellules fragiles. ex : turbine : hélice type marine

Il existe deux types d’agitation

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1.2.-Agitateurs rotatifs à débit radial

L’agitation la plus utilisé est celle de l’ Agitation à air

Ø Elle utilise des pompes spéciales qui injectent un mélange air-milieu à haute vitesse dansle réservoir principal, ce qui assure agitation et aération (figure 08).

Ø Ce type d’agitation est utilisé pour des pilotes avec des moisissures et desactinobactéries, par exemple dans la production d’acide citrique par A. niger

figure 08 : Fermenteur à agitation par air (air lift)16

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Ø La plupart des fermenteurs utilisés dans l’industrie sont du type submergé ; ce dernier

économise de l’espace et facilite son contrôle technique et conception.

fermentation en milieu liquide(également connus sous le nom submergé)

fermentation en milieu solide(également connu sous le nom surface).

3.2.-État de culture :

3.3.-Volume de culture :

Øbioréacteurs de laboratoire stérilisable à l’autoclave jusqu’à 18 L Øbioréacteurs in situ jusqu’à 30 L, Ødes pilotes employés pour les tests en vue de l'industrialisation (de 30 à 600 litres)Øbioréacteurs destinés à la production industrielle peuvent entre 600 et 50 000L,

cas de la production d'éthanol). 17

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4-Systèmes de fermentation

selon la souche productrice ;

Ø les conditions optimales de la croissance ;

Ø de la production ainsi que le produit désiré à produire en tenant compte que le coût

total d’un produit qu’il soit moins chère.

en milieux liquides bien sur des milieux solides c’est le cas le plus utilisé en industrie,

4.1.-Fermentation en phase liquide

culture discontinue alimentée (Fed-batch culture contenue

culture discontinue,

batch ou non renouvelé18

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4.1.1.-Fermentation en culture discontinue, batch ou non renouvelé

ØCe mode de fermentation est le seul utilisé pour la production de métabolites

secondaires surtout pour les antibiotiques.

1.- Caractéristiques générales

Ø Les cellules sont initialement inoculées dans un milieu frais et aucun autre élément nutritif n'est ajouté jusqu'à ce que le produit désiré soit produit.

Ø Le bioréacteur ne possède donc ni entré et ni sortie.

Ø En fin de fermentation, le fermenteur est nettoyé pour une prochaine culture.

Ø l’oxygène injecté est assuré par une agitation continue du milieu de culture sous forme d’air comprimé pour l’homogénéité de la culture et la dissolution.

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.2.-Cinétique de croissance microbienne

Ø la population de micro-organismes passe par plusieurs phases de croissance distinctes

Figure 09: Cinétique de croissance bactérienne en milieu non renouvelé (Batch) 20

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a.-Phase de latence : C'est le temps nécessaire à la bactérie pour synthétiser les enzymes adaptées au nouveau substrat.

Le taux de croissance est nul (µ = 0). La durée de cette phase dépend de l'âge des bactéries et de la composition du milieu.

b.. Phase d'accélération :il se produit une augmentation de la vitesse de croissance. Les divisions cellulaires commencent : N augmente, (μ) augmente, et G (temps de génération) diminue

c.-. Phase exponentielle ou logarithmique :durant cette phase, les bactéries se multiplient d’une façon exponentielle où la vitesse spécifique de croissance (µmax, en h-1

). ) est maximale et constante

µmax: Elle est égale à la vitesse de croissance en biomasse (QX ) rapportée à l’unité de biomasse(X = biomasse en g.L-1 ; t = temps en h).

Ø Temps de génération (G) est constant et minimal. Il est défini comme le temps de doublement de la biomasse X pendant la phase exponentielle (ou le temps de doublement de l’absorbance pour un suivi spectrophotométrique)

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e.-. Phase maximale stationnaire : le taux de croissance devient nul (µ = 0). Le taux de mortalité annule le taux de croissance.

d.-. Phase de ralentissement :la vitesse de croissance régresse. Il y a un épuisement du milieu de culture et une accumulationdes déchets. Il existe un début d'autolyse des bactéries.

f. Phase de déclin : le taux de croissance est négatif (µ < 0). Toutes les ressources nutritives sont épuisées etl’accumulation de métabolites toxiques, ce qui entraine une diminution d'organismes viables etune lyse cellulaire sous l'action des enzymes protéolytiques endogènes.

Note, dans certains cas dans cette phase: la phase dite "cryptique, où la bactérie persiste une croissance par libération de substances libérées lors de la lyse (croissance cryptique).

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4.1.2. Fermentation en culture discontinue alimentée (Fed-batch)Ø C’est une culture discontinue alimentée en continu par un milieu nutritif.Ø La croissance démarre plus vite dans un volume de culture réduit.Ø Quand la croissance est en phase stationnaire, du milieu de culture stérile est ajouté et contrôlé.

Ø Le volume dans la cuve augmente alors au cours du temps. Le débit est réglé de façon que laconcentration en substrat soit constante dans la cuve et que l’effet de dilution ne soit pas inhibiteur de laproduction de biomasse.

Ø Lorsque la cuve est remplie, l’alimentation est coupée ( la conduite est alors en mode discontinu)

Ø Le fed batch permet en pratique un gain de temps, une augmentation de productivité et une possibilitéde modification du milieu en cours de culture. Mais le risque de contamination est élevé

Applications

Ex: la production de la pénicilline, la concentration en glucose est maintenue à des valeurs précises aucours du temps.

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4.1.3. Fermentation en culture contenue

Ø -le milieu de croissance frais est ajouté en permanence, et les cellules et le milieu épuisé sontéliminés simultanément

Ø Le volume de culture microbienne est constant où le débit de milieu est égal au mélange debiomasse-milieu liquide, de façon à maintenir le volume du réacteur constant

Il existe deux principaux types de cultures contenue à écoulement continu

1.3. .-Turbidostat

Ø le taux de croissance spécifique est égal ou très proche de µmax et est contrôlé par les vitesses des réactions cellulaires internes.

Ø Cela se fait par un photoélectrique réglé, sur une valeur de X choisie, et reliée à la vanne d’entrée du milieu neuf.

Ø Il s’agit d’une autorégulation de D en fonction de la biomasse mesurée à la sortie (Figure 1024

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Figure 10 : Schéma d'un turbidostat.

1.3. .-Turbidostat

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Ø Il est constitué d’une unique cuve alimentée en continue par du milieu stérile contenant le substrat limitant

Ø Le chemostat constitue le système ouvert de fermentation continue, qui estle plus simple et le plus répand

3.2.- Chemostat

Ø Le milieu contenant microorganismes et métabolites produits est prélevé en continu, avec un débit égal au débit d’alimentation

Ø le chemostat est donc caractérisé par un volume réactionnel constant.

Ø Le taux de dilution détermine le taux de croissance spécifique de la culture :

D = F / V où D = taux de dilution, F = débit moyen, V = volume de culture.

A l'état d'équilibre (µ = D), la concentration de biomasse et la concentration limite de substrat dans

la culture restent constantes

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Dispositif de chemostat (A), diagramme de croquis d'un récipient de culture continue(B).,

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Ø la biocatalyse, la fermentation, les cultures cellulaires et le traitement des eaux usées et desgaz résiduaires.

Ø L’une des applications les plus utilisées est celle trouvée dans le traitement biologique deseaux usées.

3.3-Bioréacteurs à membrane

Ø Un bioréacteur à membrane est un réacteur à flux dans lequel des membranes sont utilisées

pour séparer des cellules ou des enzymes des flux d'alimentation ou de produit.

Ø Il se caractérise par le fait que des cellules où des enzymes sont retenues dans les réacteurs, ce

qui permet de perfuser les réacteurs en continu.

Ø Les membranes sont fabriquées à partir de divers matériaux, notamment la cellulose, l’acétate

et le nitrate, le polypropylène, et polyacrylonitrile.

Les réacteurs à membrane ont été utilisés pour une très grande variété d'applications ::

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La figure 12 montre deux bioréacteurs à membrane typiques pour les eaux usées:

Module de séparation par membrane externe (Fig. 12a) Module à membrane immergée (Fig. 12b)

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Ø la culture contenue peut être utilisée pour la digestion continue des déchets d’eaux usées

provenant de produits chimiques en dehors des boues activées existe.

Ø Elle est utilisée pour la production de protéines unicellulaires, des solvants organiques tels que la

vinaigre, l'éthanol, l'acétone, le butanol, l'isopropanol, l'acide acétique à partir de matières

premières traditionnelles telles que le sucre, l'amidon la mélasse et la cellulose.

- La culture continue n’est pas efficace pour la production

de métabolites secondaires (antibiotiques) et des

protéines recombinantes dont la production est déclenchée

à la fin de la phase de croissance.

-Il y un risque de contamination lors de l’ajout des

nutriments peut nuire au processus.

Avantages :

• Les cellules sont dans un état physiologiqueconstant (état stationnaire).

• Elle peut être utilisée avec une immobilisationpour des concentrations élevées de cellules et unealimentation réduite.• Les temps de nettoyage et d’arrêt sont beaucoupmoins fréquents.• Il convient bien au traitement de l’eau et auxprocessus environnementaux

Inconvénients

4.1.4. Applications de culture continue

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4.2-Fermentation en phase solide

Ø La fermentation en phase (ou sur substrat) solide implique la croissance de micro-organismes sur des matériaux solides organiques qui sont simplement humidifiés et nonsolubilisés ou en suspension.

Ø Les substrats utilisés sont souvent les céréales, le son, les légumineuses et les matièreslignocellulosiques telles que les copeaux de bois, etc. Ce type de fermentation ne dispose pasdes mécanismes de contrôle sophistiqués généralement associés aux fermentations submergées.

Les principales étapes de la fermentation sur substrat solide

1.-Prétraitement d'un substrat par un traitement mécanique, chimique ou biologique;

2- Hydrolyse de substrats principalement polymères : des polysaccharides et des protéines;

3- séparation et purification des produits finis.

Les microorganismes utilisés dans ce type de fermentation sont peu tolérés à l’activité de l’eau (0,7).Ils peuvent être employés sous la forme de :

1- Monocultures, comme dans la production de champignons, par ex. Agaricus bisporus;

2- Cultures duales : Ex, bioconversion ;3-Cultures mixtes, utilisées dans le compostage et la préparation de l'ensilage,

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4.2.1. Systèmes utilisés pour les fermentations sur substrat solide

Ø La plupart des fermentations sur substrat solide sont des procédés discontinus

Ø Certains processus ne nécessitent pas de bioréacteurs, ils impliquent simplement d'étendre le substrat sur un sol approprié.

Ø Dans quelques procédés anaérobies : la production d'ensilage, ne nécessitent pas d’agitation ou d'aération. (L'ensilage est une méthode de conservation des fourrages par acidification passant par la fermentation lactique anaérobie d'un fourrage humide ).

Ø Par contre, la majorité des fermentations aérobies, nécessitant Ø une aération et une agitation occasionnelle ou continue.

L'ensilage

2.1.1 Fermenteurs à tambour rotatif

Ces fermenteurs sont utilisés dans la production

d'enzymes et de biomasse microbienne. Leur principal

inconvénient est que le tambour n'est rempli qu'à

30%, sinon le mélange est inefficace32

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-Les substrats sont répartis sur chaque plateau sur une profondeur de quelques centimètres seulement,

puis empilés dans une chambre à travers laquelle de l'air humidifié est mis en circulation.

Ces systèmes nécessitent de nombreux plateaux et chambres d’incubation à un volume jusqu’à 150m3

(Figure. 13b). Ils sont largement utilisés pour la production d'aliments et d'enzymes orientaux

fermentés

.2 Fermenteurs à plateaux :

33

33

2.- Avantages de la fermentation solide

ØElle est facile à réaliser et ne nécessite pas d’équipement sophistiqué, pas obligatoirement unestérilisation du substrat ;

Ø - Elle ne produit pas de mousses et n’a pas de contaminations bactériennes suite au manqued’eau libre ;

Ø -Elle a une forte productivité en métabolites tels que les aromes, la pénicilline les aflatoxines,l’acide gibbérellique, etc.;

Ø -Les frais de séchage éventuels sont réduits.

-Très peu de microorganismes peuvent être utilisés, surtout ceux qui se développant en faible

Aw;Ø - Difficultés de transfert et de la diffusion d’oxygène et de la chaleur dans la culture

microbienne ;Ø -Difficultés de suivi des paramètres de fermentation suite à la nature solide et hétérogène des

substrats utilisés.

Les inconvénients des fermentations solides

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Domaines d’application Produits MicroorganismesAliments riches en protéines Canne à sucre

ManiocTourteaux de coprahPulpes de betterave

AspergillusAspergillusAspergillusTrichoderma

Production d’enzymes PectinaseCellulaseAmylase

AspergillusTrichodermaAspergillus

Production d’acides organiques Acide citriqueAcide lactique Rhizopus

Production de métabolites secondaire

AromesPénicilline

Penicillium, TrichodermaPenicillium

Aflatoxine AspergillusAcide gibbérellique Gibberalia

Production de spores Inoculum de formageLutte biologique contre Sclerotinia sclerotiorum

PenicilliumConiothyrium minitans

Compostage et ensilage Compostât et ensilage Bactérie lactiques

Tableau 7 : Quelques exemples de fermentations sur substrat solide

3.-Applications des fermentations sur substrat solide

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Ø Les microorganismes sont immobilisés sur un support ou une matrice, puis la biomasse est alimentéepar un milieu de culture frais stérile à partir d’une entrée. Le milieu fermenté contenant le produitdésiré est récolté de son part d’une sortie.

4.3.-Systèmes de cellules immobilisées

Ce système présente plusieurs avantages :-Il permet de conserver du matériel biologique en fin de l’utiliser pour de nouveaux cycles ;-Il facilité l’opération de récupération des produits désirés avec peu de moyens ;-Il augmente la densité cellulaire et la vitesse de réaction ce qui permet d’accélérer productivité du produitdésiré avec peu de moyens et du temps.

L’immobilisation de cellules par adsorption sur un matériau support peut être réalisée naturellement ou

artificiellement en utilisant des agents de liaison (oxydes métalliques ou agents de liaison covalents tels que le

glutaraldéhyde) appropriés. L'adsorption de cellules viables est réalisée via les forces de Van der Waals et les

interactions ioniques.

4.3.1-Adsorption

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Les principaux matériaux utilisés

DEAE-cellulose diéthylaminoéthyle (DEAE-C) est une résine chargée + pour la conversion des stéroïdes par Nocardia

erythropolis :

Gluten De Blé Granulés (Saccharomyces cerevisiae, production d’ethanol),

Des billes de gels d'alginate de calcium pour la production deproduction d’oxytétracycline par Streptomyces rimosus

copeaux de bois hêtre pour pour la fabrication du vinaigre par les Acetobacter

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4.3.2.-Inclusion ou piégeage d'hydrogel

Ø C’est la méthode la plus utilisée qui permet de l’incorporation des microorganismes dans unematrice de polymères naturels (polysaccharides et protéines= gel) dans une colonne, danslaquelle circule le milieu frais qui en ressort avec les produits de biosynthèse.

Ø Le gel peut être utilisé en batch ou culture continue dans des bioréacteurs

Matériel hydrogel organismes ApplicationsAlginate Bifidobacterium longum Production de l’acide lactiquePhtalate d'acétate de cellulose

Bifdobacterium pseudolongum Production de probiotiques

Alginate de calcium Saccharomyces cerevisiae Élimination des polluants (N,P, production éthanolOxyde de polyéthylène Cellules d'ostéosarcome de rat --Régénération des tissus ressemblant à l'ospolyacrylamide Arthrobacter simplex

Aspergillus nigerB. subtilis

-Production d’hydrocortisone- production d’acide citrique

alpha- amylase

Tableau 08 : Quelques applications de cellules immobilisées dans des hydrogels

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Ø Les cellules qui s'agglomèrent naturellement et forment desgranules ou floculent peuvent également être considéréescomme immobilisées

.3.3. Auto-agrégation de cellules

Ø Cette méthode a diverses applications telles que laproduction d’éthanol par Zymomonas mobilis, l’enzymed’α-Amylase par Aspergillus oryzae, la penicilline parPenicillium chrysogenum, certaines protéinesrecombinantes par des animales Vero, et surtout dans letraitement des eaux résiduaires en boues activées

3.4.- Confinement dans des membranes

Ø Elle repose sur l’immobilisation des cellules par lafiltration d'une suspension de cellules à travers d’unemembrane préformée (systèmes à fibres creuses) ou forméeautour des cellules à immobiliser (microcapsules)

Ø Les membranes synthétiques (préformée et formée) sont des membranes polymères de microfiltration ou d'ultrafiltration, bien que d'autres types des membranes ont été utilisées (la céramique, le caoutchouc de silicone)

Matériel Microorganismes applicationsServiette en coton

Propionibacteriumacidipropionici

Production d’acidepropioniques

Éponge de luffa Chlorella sorokinianaSaccharomyces cerevisiae

Élimination des métaux lourds Production de d’éthanol

Silicone carrier Lactobacillus rhamnosus Production d’exopolysaccharidesMousse de polystyrène

Phanerochaete Production de peroxidase

Céramique Saccharomyces cerevisiae Production d’éthanolVerre poreux Saccharomyces cerevisiae Maturation de la bièrePellets d'alumine Zymomonas mobilis production d’ethanol

Tabl: Quelques exemples d'immobilisation de cellules dans des matériaux de support poreux préformés

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fig: Types de bioréacteurs des cellules immobilisées : (a) réacteur à cuve agitée ; (b) réacteur à colonne à bulles ;c) réacteur à élévation gaz / air; d) réacteur à lit fluidisé (à gauche); réacteur à fluide fluidisé conique (à droite);e) réacteur à lit garni avec boucle de recyclage facultative; f) réacteur à lit ruisselant; g) réacteur à recyclage decellules à membrane.

4.3.5.-Bioréacteur à cellules

immobilisées

bioréacteurs à cellulesimmobilisées peuvent êtreretrouvés sous différentesformes

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29/04/2020

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6-Domaine environnemental : dépollution, gestion des déchets, traitement des effluents : traitement des eaux, et dégradation des déchets chimiques.

5.-Applications industrielles de bioréacteurs

Ø Les produits d’origine microbienne où de cellules eucaryotes sont principalement obtenuspar la production en différents types de bioréacteurs.

1-Domaine médical et pharmaceutique : la synthèse et la production de nombreuses molécules : les antibiotiques, les anti fongiques, les antiviraux, les vitamines, les vaccins, les enzymes, etc

2-Domaine alimentaire : -produits laitiers fermentés, la biosynthèse d'acides aminés et de vitamines, production de levures et des additifs (arômes, les acidulant et les épaississants).

3- Domaine agriculture – élevage : production d’insecticides et pesticides biologiques ainsi que des aliments pour animaux (ex: ensilage).

4- Domaine chimique : la production de substances chimiques comme les solvants, les acides organiques et les biopolymères.

5- Domaine de bioénergie : Production d'algues riches en hydrocarbures (photo bioréacteurs) : biofuel (méthane, éthanol, méthanol).

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