Principes fondamentaux de la fermentation
La fermentation comprend une série d’opérations séquentielles, commençant par l’introduction des semences dans un milieu préparé et régulé thermiquement, suivie de la croissance cellulaire ou de la biosynthèse du produit souhaité. Une fois le processus de fermentation terminé, un mélange complexe se forme, composé de cellules productrices, de nutriments résiduels et de produits biosynthétiques accumulés dans le milieu. Ce mélange est communément appelé milieu de culture.
Aspects technologiques des processus de fermentation
Les processus microbiologiques sont classés en fonction de leur conception technologique, avec deux catégories principales : la culture aérobie et la culture anaérobie.
Culture aérobie
L’aération est essentielle aux processus microbiologiques impliquant des micro-organismes aérobies. La demande en oxygène de ces micro-organismes est influencée par la source de carbone oxydé, leurs propriétés physiologiques et leur activité de croissance. Par exemple, la biosynthèse d’un kg de biomasse de levure nécessite environ 0,74 à 2,6 kg d’oxygène moléculaire. Dans des conditions de consommation intensive de substrat, quelle que soit la source de carbone, le micro-organisme assimile entre 0,83 et 4,0 mg d’oxygène par litre de milieu et par minute.
La solubilité de l’oxygène dans le milieu est intrinsèquement faible et dépend de la température, de la pression et de la concentration des composants dissous, émulsifiés et dispersés. À une pression de 0,1 MPa et une température de 30 °C, la solubilité maximale de l’oxygène dans 1 litre d’eau distillée est d’environ 7,5 mg. Cependant, dans les milieux nutritifs réels, cette solubilité se situe généralement entre 2 et 5 mg/L. La disponibilité de l’oxygène dans le milieu ne permet l’activité microbienne aérobie que pendant 0,5 à 2 minutes.
En culture profonde, les niveaux d’oxygène sont rétablis par une aération continue et améliorés par une intensité de mélange accrue. Pendant la croissance de la biomasse, les micro-organismes présentent généralement une consommation d’oxygène plus élevée que pendant la phase de supersynthèse des métabolites. Une concentration critique en oxygène est définie comme le seuil en dessous duquel la respiration cellulaire est restreinte. Pour la plupart des micro-organismes aérobies poussant dans des substrats sucrés, cette concentration critique se situe entre 0,05 et 0,10 mg/L, soit l’équivalent de 3 à 8 % de la saturation totale en oxygène du milieu. La croissance cellulaire et l’activité physiologique commencent à décliner à des concentrations en oxygène d’environ 20 à 25 % de la saturation totale dans les milieux à base de glucose.
La concentration optimale en oxygène pour la croissance de la biomasse est généralement considérée comme étant de 50 à 60 % de la saturation complète, tandis que pour la biosynthèse des métabolites cibles, la concentration optimale est de 10 à 20 %.
Culture anaérobie
Les processus microbiens anaérobies, classés en fonction de l’accepteur final d’atomes d’hydrogène ou d’électrons, sont divisés en trois groupes :
- Respiration (oxygène comme accepteur),
- Fermentation (composés organiques comme accepteurs) et
- Respiration anaérobie (composés inorganiques tels que les nitrates et les sulfates comme accepteurs).
Pour les anaérobies stricts, la fermentation représente l’unique mode de production d’énergie. En revanche, les anaérobies facultatifs subissent une première étape de fermentation lors du catabolisme du glucose, suivie d’une oxydation aérobie des produits intermédiaires en présence d’oxygène. Un groupe intermédiaire distinct comprend les micro-organismes aérotolérants, qui tirent leur énergie de processus anaérobies (phosphorylation du substrat) tout en possédant une chaîne respiratoire facilitant l’absorption d’oxygène. Ce mécanisme est appelé « effet de protection respiratoire ».
Parmi les exemples de fermentation anaérobie obligatoire, on peut citer les fermentations butyrique et méthanique. Une voie métabolique quasi universelle chez les micro-organismes est le catabolisme du glucose par glycolyse, conduisant à la formation de pyruvate :
Glucose++ 2АТР + 2 NAD = 2 Pyruvate + 4АТР + 2NADH + 2Н+
Lors de la fermentation alcoolique, les levures décarboxylent le pyruvate pour former de l’acétaldéhyde, qui est ensuite réduit en éthanol. La fermentation homolactique, caractéristique des bactéries lactiques, réduit directement le pyruvate en acide lactique, tandis que la fermentation hétérolactique suit une voie de pentose phosphate, produisant de l’acide lactique, de l’acide acétique, de l’éthanol et du dioxyde de carbone.
Dans les applications industrielles, les conditions anaérobies sont maintenues grâce à des équipements de fermentation étanches, par purge du milieu avec des gaz inertes ou par l’utilisation de sous-produits gazeux issus de la fermentation. L’absence d’aération simplifie la conception structurelle du bioréacteur et facilite le contrôle du procédé pendant la fermentation anaérobie.
| Quantité d’air fourni, m3/(m3*min) | Vitesse de rotation du mélangeur, min-1 | ||||
| 0 | 500 | 800 | 1000 | 2000 | |
| 0,35 | 1,3 | 4,0 | 7,5 | 14,5 | 15,1 |
| 0,65 | 3,5 | 7,3 | 12,1 | 19,1 | 22,1 |
| 1,00 | 6,0 | 10,0 | 15,0 | 23,0 | 24,0 |
| 1,30 | 7,5 | 13,9 | 18,0 | 26,0 | 28,0 |
| 1,60 | 11,0 | 15,5 | 20,0 | 27,0 | 29,0 |
