La fermentation désigne l’ensemble des opérations séquentielles, depuis l’introduction des semences dans un milieu préparé et chauffé à la température requise jusqu’à l’achèvement du processus de croissance cellulaire ou de biosynthèse du produit cible. À la fin de la fermentation, un mélange complexe se forme, composé de cellules productrices, d’une solution de nutriments consommés et de produits de biosynthèse accumulés dans le milieu. Ce mélange est appelé milieu de culture.
Parmi les différents procédés microbiologiques, deux grandes catégories se distinguent par leur conception technologique : la culture aérobie et la culture anaérobie. Chacun de ces procédés utilise des types distincts de bioréacteurs et de fermenteurs adaptés à leurs exigences spécifiques.
La culture aérobie nécessite l’aération du milieu, condition essentielle aux processus microbiologiques impliquant des micro-organismes aérobies. Les besoins en oxygène moléculaire de ces organismes dépendent du type de source de carbone oxydé utilisée, ainsi que des caractéristiques physiologiques et de l’activité de croissance des micro-organismes eux-mêmes. Par exemple, la biosynthèse d’un kg de biomasse de levure nécessite environ 0,74 à 2,6 kg d’oxygène moléculaire. En période de consommation intensive de substrat, quelle que soit la source de carbone, le producteur assimile généralement entre 0,83 et 4,0 mg d’oxygène par litre de milieu et par minute.
La solubilité de l’oxygène dans le milieu de fermentation est relativement faible et dépend de facteurs tels que la température, la pression et la concentration des composants dissous, émulsifiés et dispersés. À une pression de 0,1 MPa et une température de 30 °C, la quantité maximale d’oxygène dissous dans un litre d’eau distillée est d’environ 7,5 mg. Cependant, dans un milieu nutritif classique, la solubilité maximale de l’oxygène varie de 2 à 5 mg par litre. En pratique, les réserves d’oxygène de l’environnement ne permettent aux producteurs aérobies de subvenir à leurs besoins que pendant environ 0,5 à 2 minutes.
Lors d’une culture en profondeur, les réserves d’oxygène du milieu nutritif sont reconstituées par l’aération. Le taux d’absorption d’oxygène augmente avec l’intensité du mélange au sein du milieu. Notamment, lors de la croissance de la biomasse, les micro-organismes consomment généralement plus d’oxygène que lors de la supersynthèse des métabolites cibles.
Il est important de prendre en compte les concentrations critiques en oxygène qui limitent la respiration cellulaire. Pour la plupart des micro-organismes aérobies se développant sur des substrats sucrés, cette concentration critique se situe entre 0,05 et 0,10 mg/l, ce qui correspond à 3 à 8 % de la saturation totale en oxygène du milieu. Il est intéressant de noter que des concentrations d’oxygène plus élevées peuvent limiter la croissance cellulaire et l’activité physiologique ; par exemple, la croissance des levures en milieu glucosé est limitée lorsque la pression partielle en oxygène (pO₂) atteint environ 20 à 25 % de la saturation totale. Les conditions optimales pour la croissance de la biomasse sont atteintes à une concentration en oxygène de 50 à 60 % de la saturation totale, tandis qu’une concentration de 10 à 20 % est considérée comme idéale pour la biosynthèse des métabolites cibles.
Pour obtenir des résultats optimaux en culture aérobie, il est essentiel que la conception du bioréacteur facilite le maintien de la concentration en oxygène requise. Dans ces bioréacteurs, plusieurs facteurs critiques jouent un rôle essentiel, notamment le contrôle de la température, les systèmes de mélange, les mécanismes d’aération et la régulation du pH. Chacun de ces éléments doit être soigneusement optimisé pour créer un environnement propice à la croissance efficace des micro-organismes aérobies et à la production efficace des métabolites cibles.
Les processus d’oxydation biologique anaérobie chez les micro-organismes hétérotrophes peuvent être classés en trois groupes distincts, en fonction de l’accepteur final d’atomes d’hydrogène ou d’électrons : la respiration (où l’oxygène sert d’accepteur), la fermentation (où la matière organique agit comme accepteur) et la respiration anaérobie (impliquant des matières inorganiques telles que les nitrates ou les sulfates).
Chez les anaérobies stricts, la fermentation est le seul moyen de production d’énergie. À l’inverse, les anaérobies facultatifs utilisent la fermentation comme première étape essentielle du catabolisme du glucose, qui peut ensuite être suivie par l’oxydation aérobie des produits résultants si l’oxygène est présent dans l’environnement. Une catégorie intermédiaire unique est constituée de micro-organismes aérotolérants, qui tirent l’énergie nécessaire à leurs fonctions vitales par des processus anaérobies, notamment au niveau de la phosphorylation du substrat. Ces organismes possèdent également une chaîne respiratoire qui leur permet d’absorber l’oxygène de leur environnement, créant ainsi des conditions anaérobies favorables. Ce phénomène est connu sous le nom d’« effet de protection respiratoire ».
Les fermentations d’acide butyrique et de méthane sont des exemples de processus strictement anaérobies. Une voie commune à presque tous les micro-organismes – à quelques exceptions près – est le catabolisme du glucose par glycolyse, qui conduit à la formation de pyruvate :
Glucose+2ATP+2NAD→2Pyruvate+4ATP+2NADH+2H+
Lors de la fermentation alcoolique, la levure décarboxyle le pyruvate pour former de l’acétaldéhyde, qui est ensuite réduit en éthanol. En revanche, les bactéries lactiques engagées dans la fermentation homolactique convertissent le pyruvate en acide lactique. Les bactéries lactiques hétérofermentaires utilisent une voie légèrement différente, la voie des pentoses phosphates, pour fermenter le glucose, produisant non seulement de l’acide lactique, mais aussi de l’acide acétique, de l’éthanol et du dioxyde de carbone.
Les conditions anaérobies en production sont obtenues par l’étanchéité des équipements et la purge du milieu avec des gaz inertes, y compris les sous-produits gazeux formés pendant la fermentation. L’absence d’aération du milieu simplifie la conception des bioréacteurs pendant la fermentation anaérobie et améliore le contrôle du procédé.
