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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Critères de conception2. Fermentation. Terminologie. Définitions
2.1 Présentation de la fermentation
Afin de mettre en valeur les potentialités du vivant, les technologies et les équipements associés n'ont cessé d'évoluer tout au long des années.
Bien que le terme fermentation soit un abus de langage, car il concerne la respiration anaérobie selon Pasteur, il est, par extension, utilisé par le monde industriel pour désigner l'opération unitaire qui va permettre de réaliser les cultures cellulaires et d'effectuer les réactions de bioconversion, qu'elles soient aérobies ou anaérobies.
La fermentation est une étape d'un procédé industriel ; elle s'insère dans un ensemble d'opérations unitaires qui aboutiront à la valorisation de la biomasse et/ou de ses composantes et/ou à la valorisation des produits de bioconversion.
Nous décrivons figure un schéma de principe de procédé de fermentation et son environnement.
Tout au long de l'enchaînement de ces opérations, il est nécessaire de pratiquer des contrôles afin de vérifier le bon déroulement du procédé et de garantir la qualité finale des productions.
Selon l'objectif poursuivi, l'homme de l'art va chercher à favoriser la croissance microbienne s'il souhaite la valoriser ou il préférera améliorer les capacités de bioconversion de cette biomasse.
Nous abordons ici la croissance cellulaire selon les types de micro-organismes :
-
croissance par division (par exemple, les bactéries) ;
-
croissance par bourgeonnement (par exemple, les levures) ;
-
croissance mycellienne (par exemple, les champignons).
Plusieurs modèles ont été décrits pour caractériser ces types de croissance [3].
Ainsi la réalisation de fermentations industrielles nécessite-t-elle des étapes successives d'accroissement de la masse cellulaire afin de limiter la durée de la phase de latence citée dans le modèle de Monod [1].
Du stade laboratoire où les cultures sont de l'ordre de quelques centimètres cubes au stade production où les fermenteurs atteignent plusieurs centaines de mètres cubes, il sera nécessaire d'effectuer des étapes successives et croissantes de propagation.
HAUT DE PAGE2.2 Terminologie
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On rappelle ici,...
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Fermentation. Terminologie. Définitions
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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