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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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Généralités4. Réalisation
Nous nous intéressons aux fermenteurs industriels, de 5 à 500 m3, qui représentent la grande majorité des fermenteurs de production. Nous ne traiterons pas les productions à très haute valeur ajoutée (cultures cellulaires animales ou végétales, par exemple), qui utilisent des équipements de faible volume, parfois en verre, et qui ne suivent pas les mêmes règles de conception.
4.1 Aspect stérilité
Le choix des matériaux, l'état de surface et les annexes ainsi que leur assemblage font l'objet de soins attentifs.
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Le choix du matériau incombe à l'utilisateur final qui peut en référer aux aciéristes pour la validation de la nuance retenue.
La mise en œuvre de ces matériaux dans le respect des codes et des divers critères de la fermentation (cf. § ) est de la responsabilité du constructeur.
D'une manière générale, l'emploi des aciers austénitiques est systématique. Les nuances utilisées sont les suivantes :
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inox type 304 L : Z 3 CN 18-10 selon la norme européenne NF EN 10088-1 (septembre 2005) pour les tôles soumises à pression ;
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inox type 316 L : Z 3 CND 17-11-02 selon la norme européenne NF EN 10088-1 pour les tôles soumises à pression.
Le choix des nuances tient essentiellement à leur tenue à la corrosion par les chlorures (Cl−) :
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parfois le type 304 L, qui n'a pas de propriété de tenue à la corrosion particulière, est suffisant et est utilisé pour tous les éléments constitutifs du fermenteur ;
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la configuration la plus courante est la suivante : toutes les parties en contact avec le produit sont du type 316 L ; la double enveloppe et les attachements extérieurs sont du type 304 L ;
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il existe des fermentations pour lesquelles le type 316 L s'avère insuffisant en regard de la concentration en chlorures ; les nuances adéquates ne sont plus alors des aciers austénitiques mais des austénoferritiques, autrement appelés Duplex.
Les conditions de la fermentation ne sont pas particulièrement critiques ni en termes de pression et température, ni en termes de corrosion. La métallurgie des fermenteurs reste simple.
Le tableau montre les teneurs relatives de ces aciers en carbone (C), chrome (Cr), molybdène...
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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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