Présentation
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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Réalisation3. Critères de conception
Les critères de conception d'un fermenteur industriel découlent de la réaction biologique de fermentation que l'on souhaite mettre en œuvre dans le but de produire soit de la biomasse (levures, par exemple), soit des molécules contenues dans le micro-organisme ou encore produites par ce dernier (acides organiques, acides aminés, polysaccharides, etc.).
En fonction du métabolisme sélectionné, les critères de stérilité, de transfert de matière, de gaz et de transfert de chaleur imposent des conditions de calcul qui gouvernent la conception du fermenteur.
Nous allons, dans un premier temps, passer en revue les conséquences de ces critères en termes de données devant figurer dans un cahier des charges, puis nous donnerons des exemples de réalisations qui montrent comment l'on parvient à intégrer ces critères dans la fabrication des fermenteurs industriels.
3.1 Stérilité
Ce critère est très variable d'une fermentation à une autre, en fonction de la pression de sélection de la souche, ainsi que de la nature du produit fini (ce produit peut être obtenu par purification et/ou extraction ou bien par concentration simple du milieu de culture et de son micro-organisme), ce qui rend l'approche du problème de la stérilité très variable.
Néanmoins, les réglementations, les principes de précaution et l'exigence de productivité ont imposé la maîtrise des contaminations comme un facteur incontournable.
Compte tenu de la durée d'exploitation des fermenteurs industriels qui peut atteindre 40 à 50 ans et du fait que l'usage n'en est pas réservé à une production unique, les utilisateurs finaux intègrent de manière systématique le critère de stérilité.
la pression de sélection de souche est l'ensemble des paramètres de l'environnement que subit la souche. Ces paramètres vont influer sur les voies métaboliques de la souche et permettre ainsi l'obtention de résultats industriels différents d'une société à une autre, tout en ayant le même micro-organisme.
Qu'impose le critère de stérilité ?
Il impose une rigueur extrême à tous les stades de conception et de fabrication d'un fermenteur industriel ; c'est un réflexe que doit s'imposer tout intervenant industriel, du rédacteur du cahier des charges au concepteur, sans oublier les opérateurs de fabrication et les contrôleurs.
Outre cette préoccupation...
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Critères de conception
Le tableau donne l'ordre de grandeur de coût de quelques fermenteurs.
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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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