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GENERAL CONCEPT OF INDUSTRIAL MICROBIOLOGY - Jiwaji

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Industrial fermentation - Wikipedia

Fermentation or Bioconversion Recovery & Purification Finishing Bio / Microbial Labs Utilities: Process Water Steam Cooling Water Chilled Water Compressed Air Electrical HVAC Waste Systems Warehouse: Raw Materials Product BioProcess Design Basis & Scale-up - Upstream Fermentation & Bioreactor Critical Design Parameters Biological & Chemical

COURS DU MODULE DE BIOTECHNOLOGIE - univ-tlemcendz

Chapitre: Fermentations industrielles Il existe plusieurs types de bioréacteurs selon quel’ontravaille en milieu liquide en milieu solide ou avec des systèmes immobilisés Figure 2: Systèmes en phase solide (a) plateaux (b) fermenteurs rotatifs I 2

What is an example of industrial fermentation?

In most industrial fermentations, the organisms or eukaryotic cells are submerged in a liquid medium; in others, such as the fermentation of cocoa beans, coffee cherries, and miso, fermentation takes place on the moist surface of the medium. There are also industrial considerations related to the fermentation process.

What is scale up in industrial fermentation?

An important element for industrial fermentations is scale up. This is the conversion of a laboratory procedure to an industrial process. It is well established in the field of industrial microbiology that what works well at the laboratory scale may work poorly or not at all when first attempted at large scale.

What is the fermentation process?

General process overview. In most industrial fermentations, the organisms or eukaroyotic cells are submerged in a liquid medium; in others, such as the fermentation of cocoa beans, coffee cherries, and miso, fermentation takes place on the moist surface of the medium. There are also industrial considerations related to the fermentation process.

What factors affect the rate of fermentation?

The rate of fermentation depends on the concentration of microorganisms, cells, cellular components, and enzymes as well as temperature, pH [3] and level of oxygen for aerobic fermentation. [4] Product recovery frequently involves the concentration of the dilute solution .

Croissance

industrielle des microorganismes

L3MG 2020

Raisons :

2NPHQPLRQ G·XQH NLRPMVVH VHUYMQP

-VRLP G·MOLPHQP OHYXUHV ŃRPPH ŃRPSOpPHQP nutritionnel) -VRLP j OM IMNULŃMPLRQ G·MOLPHQP OHYXUHV SRXU OM IMNULŃMPLRQ GH SMLQ GH NLqUH GH NULRŃOHV GH YLQ"

PRLVLVVXUHV SRXU IMNULŃMPLRQ GH IURPMJHV VMNp"

NMŃPpULHV SRXU IMNULŃMPLRQ GH \MRXUP"B

6\QPOqVH GH PROpŃXOHV G·LQPpUrP

alimentaire, médical ou industriel MŃLGH ŃLPULTXH SpQLŃLOOLQH Ń\ŃORVSRULQH"BB Plan

1-Les diverses techniques de culture

2-Caractéristiques des souches utilisées

3-Des exemples de cultures industrielles

3 4 1

Les diverses

techniques de culture

Deux grandes techniques de culture :

-Culture en discontinu = culture en batch -Culture en semi-continu = culture en fed-batch -Culture en continu = culture en milieu renouvelé

5HPMUTXH H[LVPHQŃH G·XQ MXPUH P\SH GH ŃXOPXUH MYHŃ

immobilisation des microorganismes 5

1-1-Culture en discontinu =

culture en batch = culture en milieu non renouvelé

1-1-1-Matériel de culture : bioréacteur

(fermenteur) 7

HQPUpH G·MLU PXQL G·XQ ILOPUH

RX PX\MX G·pŃOMQPLOORQQMJH

enveloppe de refroidissement

HQPUpH G·HMX GH

refroidissement moteur pour agitation manomètre (pour vérifier la pression interne)

VRUPLH GH O·HMX GH

refroidissement pales pour agitation tuyau de vidange

1-1-1-Matériel de culture : bioréacteur

Un bioréacteur de laboratoire est une cuve

accueillant de 1 à 5 L en général, même moins.

Un bioréacteur pilote est une cuve

accueillant de 10 à 200 L en général,

Un bioréacteur de production industrielle

est un cuve accueillant de quelques centaines de L à plusieurs m3 9 novembre 2006Cellule procaryote10 10

Fermenteur 2L

Fermenteur 20L

Fermenteur 500L

Fermenteur 2M3

novembre 2006Cellule procaryote11

Système de régulation

1-1-2-Principe de la culture en batch

Culture en milieu clos dans une cuve de

taille variable -stérilisée -UHPSOLH G·XQ PLOLHX GH ŃXOPXUH VPpULOH -ensemencée avec le microorganisme voulu -permettant la croissance du

PLŃURRUJMQLVPH ÓXVTX·j pSXLVHPHQP GHV

substances nutritives 12

1-1-3-Caractéristiques du milieu de culture

Doit apporter au minimum une source d'énergie, de

ŃMUNRQH G

M]RPH G·LRQV PLQpUMX[ B

Est souvent riche en glucose, en peptones, en

phosphates, en sulfates, en magnésium, en vitamines, et en oligoéléments. Eléments divers pouvant être utilisés en industrie, seuls ou associés: ²des mélasses, sous produits agricoles visqueux du raffinage de la betterave ou de la canne à sucre, riches en glucides, ²des liquides biologiques : du plasma, du lactosérum (protéines) ²des farines : végétales (maïs riche en amidon ; riz riche en amidon et en protéines ; soja : riche en protéines), de viande (protéines, lipides), de poisson (méthionine, phosphore). 13 bioréacteur

Nécessité

-G·XQH NRQQH MJLPMPLRQ GH OM ŃXOPXUH -G· XQH UpJXOMPLRQ GH OM PHPSpUMPXUH SMU refroidissement car les réactions métaboliques lors de la croissance sont généralement exothermiques -G· XQH UpJXOMPLRQ GX S+ ŃMU OHV UpMŃPLRQV métaboliques microbiennes peuvent acidifier ou alcaliniser le milieu -G·XQH UpJXOMPLRQ GH OM SUHVVLRQ SMUPLHOOH HQ 22

SMU LQVXIIOMPLRQ G·MLU VPpULOH

1-1-4-Avantages et inconvénients de la culture en

batchAvantages -Pas de perte de microorganismes durant la culture -Possibilité de recueil des produits synthétisés à tout moment, y compris durant la phase de déclin -Peu de risques de contamination de la culture

Inconvénients

-([LVPHQŃH G·XQH SOMVH GH latence impropre à la production -Pas de maintien de la phase exponentielle : donc biomasse et produits recueillis en quantités faibles : rendement limité -Difficulté de stériliser de grands volumes de milieu -Préparation longue 15

1-2-Culture en continu =

culture en milieu renouvelé

1-2-1-Principe de la culture en milieu renouvelé

Culture du microorganisme en vase non clos

de façon à maintenir en permanence en phase exponentielle grâce à -une addition régulière de milieu neuf stérile pour réapprovisionner en nutriments et maintenir le pH -XQ VRXPLUMJH G·XQH TXMQPLPp pTXLYMOHQPH de milieu de culture permettant ainsi

O·pOLPLQMPLRQ UpJXOLqUH GHV GpŃOHPVB

1-2-2-Matériels de culture

Turbidostat

Chemostat ou bactogène

1-2-2-1-Le turbidostat

Réservoir de milieu stérile

Valve de contrôle du flux

de milieu neuf sortie de milieu de culture cellule photoélectrique reliée à

OM YMQQH G·HQPUpH GH PLOLHX QHXIB

Source lumineuse

Cuve de fermentation

1-2-2-1-Principe de fonctionnement du

turbidostat (vitesse de production = vitesse de consommation)

Un turbidostat est un dispositif de culture

en continu. La concentration du milieu de culture est maintenue constante par un contrôle turbidimétrique. Si le trouble tend à trop augmenter il y a une

MXJPHQPMPLRQ G·MSSRUP GH PLOLHX QHXI TXL

dilue et ramène le trouble à sa valeur initiale.

Si le trouble tend à trop diminuer il y a

GLPLQXPLRQ G·MSSRUP GH PLOLHX QHXI ÓXVTX·j ŃH que la croissance ait permis de retrouver la valeur initiale 20

1-2-2-2-Le chémostat

1-2-2-2-Principe de fonctionnement du chemostat

Introduction de milieu neuf stérile dans la chambre de culture à la même vitesse que le milieu contenant les micro-RUJMQLVPHV HVP pOLPLQp Ń·HVP OH YROXPH GH PLOLHX frais qui chasse par trop plein le volume de culture microbienne).

Conséquences :

²stabilité de concentration en substances nutritives limitantes ²microorganismes soumis à une bonne aération, à une vigoureuse agitation et ayant toujours à leur disposition les éléments nutritifs dont ils ont besoin 23

Multiplication maintenue exponentielle à une

vitesse spécifique de croissance rigoureusement

ŃRQPU{OpH SMU O·MSSRUP GH PLOLHX QHXI.

1-2-3-Avantages et inconvénients de la culture en

continuAvantages -Maintien de la phase exponentielle : rendement optimal -Stérilisation facile du milieu -Récupération des produits au fur et à mesure de leur production

Inconvénients

-Difficulté du contrôle du système de régulation -Difficulté du maintien

G·XQH ŃXOPXUH SXUH

-Pas de possibilité de fabrication de produits libérés uniquement durant la phase de déclin. 24

2-Caractéristiques des

souches utilisées en production industrielle Production industrielle nécessite une souche ayant les caractéristiques suivantes : -Innocuité(non pathogène) -Bonne productivité (fort rendement = capacité à synthétiser des quantités appréciables de produit attendu) -Stabilité génétique (ne perdant pas ses caractéristiques après de nombreuses multiplications en bioréacteur et lors de sa conservation) -Croissance rapide (de façon à donner très vite beaucoup de produit ou une biomasse importante) -Améliorabilité(idéalement la souche doit pouvoir être capable d'évoluer sous la pression de l'industriel, dans le but d'améliorer ou de d'adapter la production) 26
27
3

Exemples de cultures et

productions industrielles

3-1-Intérêt des cultures

industrielles

Intérêt dans le domaine

agroalimentaire

industriel autre

29
quotesdbs_dbs15.pdfusesText_21

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What is an example of industrial fermentation?

What is scale up in industrial fermentation?

What is the fermentation process?

What factors affect the rate of fermentation?

Croissance

L3MG 2020

Raisons :

2NPHQPLRQ G·XQH NLRPMVVH VHUYMQP

PRLVLVVXUHV SRXU IMNULŃMPLRQ GH IURPMJHV VMNp"

NMŃPpULHV SRXU IMNULŃMPLRQ GH \MRXUP"B

6\QPOqVH GH PROpŃXOHV G·LQPpUrP

1-Les diverses techniques de culture

2-Caractéristiques des souches utilisées

3-Des exemples de cultures industrielles

Les diverses

Deux grandes techniques de culture :

5HPMUTXH H[LVPHQŃH G·XQ MXPUH P\SH GH ŃXOPXUH MYHŃ

1-1-Culture en discontinu =

1-1-1-Matériel de culture : bioréacteur

HQPUpH G·MLU PXQL G·XQ ILOPUH

RX PX\MX G·pŃOMQPLOORQQMJH

HQPUpH G·HMX GH

VRUPLH GH O·HMX GH

1-1-1-Matériel de culture : bioréacteur

Un bioréacteur de laboratoire est une cuve

Un bioréacteur pilote est une cuve

Un bioréacteur de production industrielle

Fermenteur 2L

Fermenteur 20L

Fermenteur 500L

Fermenteur 2M3

Système de régulation

1-1-2-Principe de la culture en batch

Culture en milieu clos dans une cuve de

PLŃURRUJMQLVPH ÓXVTX·j pSXLVHPHQP GHV

1-1-3-Caractéristiques du milieu de culture

ŃMUNRQH G

M]RPH G·LRQV PLQpUMX[ B

Est souvent riche en glucose, en peptones, en

Nécessité

SMU LQVXIIOMPLRQ G·MLU VPpULOH

1-1-4-Avantages et inconvénients de la culture en

Inconvénients

1-2-Culture en continu =

1-2-1-Principe de la culture en milieu renouvelé

Culture du microorganisme en vase non clos

O·pOLPLQMPLRQ UpJXOLqUH GHV GpŃOHPVB

1-2-2-Matériels de culture

Turbidostat

Chemostat ou bactogène

1-2-2-1-Le turbidostat

Réservoir de milieu stérile

Valve de contrôle du flux

OM YMQQH G·HQPUpH GH PLOLHX QHXIB

Source lumineuse

Cuve de fermentation

1-2-2-1-Principe de fonctionnement du

Un turbidostat est un dispositif de culture

MXJPHQPMPLRQ G·MSSRUP GH PLOLHX QHXI TXL

Si le trouble tend à trop diminuer il y a

1-2-2-2-Le chémostat

1-2-2-2-Le chémostat

1-2-2-2-Principe de fonctionnement du chemostat

Conséquences :

Multiplication maintenue exponentielle à une

ŃRQPU{OpH SMU O·MSSRUP GH PLOLHX QHXI.

1-2-3-Avantages et inconvénients de la culture en

Inconvénients

G·XQH ŃXOPXUH SXUH

2-Caractéristiques des

Exemples de cultures et

3-1-Intérêt des cultures

Intérêt dans le domaine

agroalimentaire

industriel autre

Est souvent riche en glucose, en peptones, en

Turbidostat

Chemostat ou bactogène

Un turbidostat est un dispositif de culture

Si le trouble tend à trop diminuer il y a

Conséquences :

agroalimentaire

industriel autre