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RÉSUMÉ
Par abus de langage, le terme fermentation est couramment utilisé en industrie pour désigner le procédé qui permet de réaliser les cultures cellulaires (de bactéries, levures et champignons, de cellules animales, végétales et d'insectes, de virus et bactériophages) et d'effectuer les réactions de bioconversion, qu'elles soient aérobies ou anaérobies. Le développement et la modernisation des fermenteurs ont bénéficié des progrès du génie génétique appliqués aux productions de métabolites traditionnels et des protéines recombinantes. Cet article expose la conception des fermenteurs industriels les plus utilisés, les critères qu’il faut retenir, et tous les aspects à prendre en compte dans leur réalisation.
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The term fermentation is often inaccurately used in industry to refer to the process that allows for the making of cell cultures (of bacteria, yeasts and fungi, of animal, plant and insect cells, of viruses and bacteriophages) and carrying out bioconversion reactions, be they aerobic or anaerobic. The development and modernization of fermenters is due to advances in genetic engineering applied to the production of traditional metabolites and recombinant proteins. This article presents the design of the most widely used industrial fermenters, the criteria that must be selected and all the aspects to be taken into account in their fabrication.
Auteur(s)
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Maurice NONUS : Ingénieur de recherche - Université de technologie de Compiègne
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Patrice COGNART : ROBIN Industries
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Françoise KERGOAT : BSL Industries
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Jean-Michel LEBEAULT : Professeur - Université de technologie de Compiègne
INTRODUCTION
Sans même connaître l'existence de micro-organismes, les Égyptiens, en 4000 avant Jésus-Christ, utilisaient les levures pour fabriquer du pain et des breuvages alcoolisés. Sans asepsie mais avec un sens développé de l'observation, des savoir-faire ont été perpétués et améliorés au cours des siècles. Ce n'est qu'au XIXe siècle qu'a vraiment démarré la mise en valeur des propriétés des micro-organismes à des fins utilitaires. Au progrès des connaissances s'est ajoutée la nécessité de satisfaire des besoins d'hygiène, de santé et d'alimentation qui ont permis l'essor des procédés de fermentation et le développement de technologies appropriées aux cultures microbiennes massives : les fermenteurs. L'homme maîtrise les cultures de bactéries, levures et champignons, de cellules animales, végétales et d'insectes, de virus et bactériophages. Aujourd'hui ce sont les avancées du génie génétique appliquées aux productions de métabolites traditionnels et des protéines recombinantes qui assurent le développement, la croissance et la modernisation des équipements et unités de production.
Compte tenu de cette diversité, des caractéristiques spécifiques de chaque classe d'organismes et des particularités d'espèces, de très nombreux réacteurs de laboratoire ont été décrits. Nous abordons dans ce dossier la conception des fermenteurs industriels les plus utilisés et principalement dédiés aux cultures de bactéries, levures et champignons.
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Fermentation. Terminologie. Définitions1. Généralités
Pour se développer, tout organisme a besoin d'une source de carbone, d'azote, de phosphore, de soufre, d'éléments minéraux appelés oligoéléments, d'eau et d'énergie. Des facteurs d'exigence sont parfois requis lorsque le métabolisme bactérien est incapable de les synthétiser.
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Les micro-organismes sont ainsi classés selon leurs besoins en source de carbone et d'énergie (tableau ).
La majorité des procédés industriels met en œuvre des micro-organismes hétérotrophes, qui utilisent le carbone cellulaire des composés organiques du milieu environnement et l'oxygène.
On distingue ainsi les procédés aérobies qui nécessitent l'apport d'oxygène dissous aux cellules et les procédés anaérobies où les cellules tireront l'oxygène des composés organiques.
Par opposition, les micro-organismes autotrophes tirent leur énergie de la lumière et utilisent le CO2 comme source de carbone.
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Afin de se développer et de se multiplier, les cellules ont besoin d'énergie, qu'elles puisent dans les réactions d'hydrolyse de composés macromoléculaires et l'assimilation de molécules élémentaires comme le glucose. L'ensemble de ces multiples voies de dégradation est appelé le catabolisme.
Lorsque suffisamment d'énergie est libérée, les cellules synthétisent l'ATP (adénosine triphosphate) ; celle-ci est la monnaie d'échange énergétique cellulaire qui sera hydrolysée en ADP + P (adénosine diphosphate + phosphore) inorganique en libérant de l'énergie. Cette énergie peut être utilisée pour potentialiser les molécules nécessaires à l'anabolisme, l'ensemble des voies métaboliques qui élaborent des molécules des constituants cellulaires.
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De même, l'oxydation des composés organiques est couplée à la réduction d'autres composés. Dans les systèmes biologiques, l'hydrogène est l'élément clé du transfert qui est effectué par l'intermédiaire de coenzymes [NAD (nicotinamide adénine dinucléotide), NADP (nicotinamide adénine dinucléotide phosphate), FAD (flavine adényine dinucléotide)].
À chaque étape, il est nécessaire de générer des forces électromotrices qui consomment de l'énergie et contribuent à la baisse du rendement énergétique.
Lorsque...
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Généralités
Le tableau donne l'ordre de grandeur de coût de quelques fermenteurs.
HAUT DE PAGE
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Références
MONOD (J.) - Recherches sur la croissance des cultures bactériennes - . 2nd Ed. Hermann. Paris (1992).
* - Handbook of Chemistry and Physics. 1er student. Édition 1991 F (1958).
Aux Éditions T.I. Dans les Techniques de l'Ingénieur
RIBA (J.-P.) - Réacteurs enzymatiques et fermenteurs - [F 3 600]. Base documentaire « Agroalimentaire » (1998).
ROUSTAN (M.) - PHARAMOND (J.-C.) - LINE (A.) - Agitation. Mélange. Concepts théoriques de base - [J 3 800]. Base documentaire « Opérations unitaires. Génie de la réaction chimique » (2005).
ROUSTAN (M.) - Agitation. Mélange. Caractéristiques des mobiles d'agitation - [J 3 802]. Base documentaire « Opérations unitaires. Génie de la réaction chimique » (2005).
DESPLANCHES (H.) - CHEVALIER (J.L.) - Mélange de milieux pâteux de rhéologie complexe : théorie - [J 3 860]. Base documentaire « Opérations unitaires. Génie de la réaction chimique » (1999).
Documents complémentaires
CALDERBANK - « Mixing » - . Vol. 2, § 6 par UHL & GRAY (1967).
NIENOW - Conference on Mixing - , paper 2, 5th Eur. Würburg.
ROUSTAN...
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