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Bilans matière appliqués aux bioréacteurs Biotechnologies et bioprocédés Biotec

Bilans matière appliqués aux bioréacteurs Biotechnologies et bioprocédés Biotechnologies et bioprocédés Définition des biotechnologies (2005, OCDE) : « l'application de la science et de la technologie à des organismes vivants, de même qu'à ses composantes, produits et modélisations, pour modifier des matériaux vivants ou non vivants aux fins de la production de connaissances, de biens et de services » Particularités : • utilisation d’agents biologiques (microorganismes, virus, enzymes, cellules végétales et animales) modifiés ou non • champ multidisciplinaire où coexistent sciences (biologie, biologie moléculaire, botanique, génétique, immunologie, biochimie, enzymologie...) et technologies. • Extrême diversité des champs d’application : pharmacie, agro-alimentaire, agriculture, chimie fine, environnement, énergie 3 Bioprocédés ? Bioprocédés Procédés mettant en œuvre des systèmes vivants 4 Dimensionnement des éléments clés des procédés biologiques : - le bioréacteur, son agitation et son aération, - la stérilisation des alimentations en substrat carboné et en air - la récupération des produits Démarche de modélisation : Comprendre, identifier les mécanismes fondamentaux, les représenter par des lois ou relations de complexité adaptée à l’objectif… Outils du génie des procédés adaptés à la mise en œuvre d’organismes vivants, Pour sélectionner les appareillages et définir des conditions de fonctionnement utilisables dans la pratique industrielle. Définitions 5 Grey/White Biotechnology : industrial production of goods and Biotransformation of active compounds or precursors Red Biotechnology : developpement of new diagnostics and therapeutics following the genetic revolution Green Biotechnology : targeted modifications of cultivars to improve their properties Molecular Biotechnology : areas of applied biology (molecular, cell biology, genomics, proteomics, transcriptomics, gene therapy, molecular diagnosis) Microbial Biotechnology : production processes through biosynthesis Scale : Fields of application : Les biotechnologies au service de secteurs multiples • la santé : 80 % des sociétés de biotechnologies, trois types d'application : la prévention (vaccins…), le diagnostic (ex : mesure du potentiel mutagène d'un composé chimique) et le traitement (ex: antibiotiques) • l'alimentation les aliments fermentés, les enzymes et les métabolites primaires et secondaires (acides aminés, des arômes et des enzymes) • l'agriculture lutte biologique (contre un ravageur, une maladie ou une plante adventice) utilisant des agents naturels antagonistes (biopesticides) • l'environnement pour traiter les eaux usées et les déchets • L’énergie bioéthanol, biodiésel 1ère et 2ème génération, algues (3ème gén.) 6 Cf techniques de l’ingénieur Les Biotechnologies au service de la santé Par exemple : • Lorsque les pigments partent à la conquête de la santé Les caroténoïdes (pigments naturels ) ont des effets bénéfiques sur la santé humaine (réduction du risque de cancer, augmentation des fonctions du système immunitaire) -> production à grande échelle : 1/ avec des micro-organismes naturellement producteurs de caroténoïdes 2/ avec des micro-organismes modifiés avec les gènes de production de caroténoïdes isolés de MO producteurs -> E. coli est un organisme performant de production. • Vaccins et nouvelles stratégies de vaccination • Production d’antibiotiques • Thérapie génique (Consiste à introduire un gène dans une cellule ou un tissu spécifique). Nombreux essais depuis les années 1990, pas encore de thérapeutiques reconnues 7 C. Foucaud-Scheunemann, S. Hellink, Techniques de l’ingénieur BIO 550 1-16 Les Biotechnologies au service de l’alimentation • Aliments fermentés (20 à 40 % de notre alimentation), biomasse (ferments, protéines d’organisme unicellulaires), enzymes (auxiliaires alimentaires), métabolites primaires (acide citrique, polysaccharides) et secondaires (arômes) • Acides aminés 60 % des acides aminés obtenus par voie biotechnologique sont utilisés dans l’alimentation humaine ; 5 millions de tonnes annuelles de glutamate produites par Corynebacterium glutamicum ; recherches pour augmenter la productivité et diminuer les coûts de production -> améliorations des procédés de fermentation et construction de souches (mutagenèse ou manipulation génétiques -> délétion de voies métaboliques concurrentielles, dérégulation des voies ou surexpression d’enzymes). • Arômes demande croissante pour des arômes naturels ; mise au point de micro-organismes recombinants capables de produire des arômes de plantes (ex : γ -décalactone, produite par des levures -> arôme de pêche, ex. framboise • Enzymes volume d’affaires global > 200 milliards € dans le monde (agroalimentaire et pharmaceutique) ; Les sources microbiennes permettent d’avoir un rendement élevé, un coût de production raisonnable, une régularité d’approvisionnement et une bonne maîtrise de la qualité. 8 C. Foucaud-Scheunemann, S. Hellink, Techniques de l’ingénieur BIO 550 1-16 Les Biotechnologies au service de l’agriculture • Des bactéries contre les insectes (1er biopesticide Bacillus thuringiensis), contre les moisissures… • Bioinsecticides fongiques De nombreuses espèces de champignons, capables de causer des dégâts chez des insectes, sont susceptibles d’être utilisées pour réguler des populations d’insectes ravageurs (bioinsecticides). En France, la production de deux bioinsceticides fongiques (Ostrinil et Bétel) a débuté en 1994 chez Natural Plant Protection (NPP) (lutte contre la pyrale du maïs et le ver blanc de la canne à sucre) => Utilisations prometteuses mais passage à l’acte difficile (coûts, sécurité, efficacité) . Les méthodes raisonnées de lutte chimique prévalent. 9 C. Foucaud-Scheunemann, S. Hellink, Techniques de l’ingénieur BIO 550 1-16 Les Biotechnologies au service de l’environnement • Traiter les déchets Biorestauration ou bioremédiation : pour dégrader des déchets toxiques dans des sols et eaux contaminés (ex les stations d’épuration, ex : marée noire due au pétrolier Exxon Valdez (1989) dispersion de nutriments pour accélérer le processus naturel). Basée sur le métabolisme microbien c’est-à-dire sur l’utilisation des substances chimiques pour construire les éléments de la cellule. Biolixiviation : C’est la dégradation naturelle de minéraux sulfurés par des micro-organismes. La maîtrise de cette catalyse biologique a permis de concevoir des procédés industriels d’extraction de métaux comme le cuivre, l’or, le cobalt et le nickel. voir page suivante • Prévenir la pollution Des molécules cosmétiques et notamment des tensioactifs biodégradables et biocompatibles sont industriellement produites par fermentation de substrats végétaux par C. bombicola. Biocarburants Piles à bactéries (Microbial Fuel Cell) => Nombreuses applications. Les stratégies visent à réduire la pollution, accélérer les procédés de traitements et réduire les coûts. Le remplacement des ressources non renouvelables est un des enjeux importants 10 C. Foucaud-Scheunemann, S. Hellink, Techniques de l’ingénieur BIO 550 1-16 Certains procédés de fermentation nécessitent moins d’étapes que leurs équivalents pétrochimiques 11 Mutations économiques dans le domaine de la chimie, rapport du PIPAME, fev 2010 Les Biotechnologies au service de la chimie La croissance des microorganismes et la production de métabolites Dynamique de croissance 13 Dans un système de production en batch, on distingue plusieurs phases de croissance distinctes. Phase de latence Phase stationnaire Phase de lyse Phase exponentielle 1-Phase de latence Deux facteurs conditionnent le temps d’adaptation : • L’âge de la souche : • culture jeune à capables de se diviser très rapidement. • culture en phase stationnaire à nombreuses cellules mortes et cellules viables dans un état physiologique peu favorable à la division à doivent incorporer les nutriments nécessaires à la fabrication des enzymes nécessaires pour se diviser. • L’adaptation aux nouvelles conditions de culture. 14 Il n'y a pas de division cellulaire : N = N0 Fig Bailey 339 Durée de la phase de latence en fonction de l’âge de la souche (qques mn à plusieurs jours) 2- Phase de croissance exponentielle Pendant cette phase, le temps de génération (intervalle de temps entre deux divisions successives) est minimal et constant. Il est dépendant des conditions de culture (température, pH, lumière, concentration en sels nutritifs...) et de l’espèce cultivée. 15 Les cellules se divisent activement et utilisent tous les nutriments mis à leur disposition. Cette phase ne s’arrête que lorsque le facteur limitant a totalement été consommé. C’est pendant cette phase que l’on utilise une culture Vitesse de croissance : rX = µ CX rX = masse de cellules formées/temps/volume réacteur µ, taux de croissance (h-1) CX = concentration massique de cellules 3- Phase stationnaire 4-Phase de lyse • Phase stationnaire La croissance de la culture cesse mais le nombre de cellule reste constant àsoit équilibre entre divisions cellulaires et disparition de certaines cellules mortes par autolyse, àsoit cellules vivantes en l’absence de toute division • Phase de mortalité cellulaire Les cellules ne se divisent plus et meurent, entrainant une dégradation de plus en plus importante des conditions de culture (pH). 16 Le milieu devient de moins en moins favorable aux divisions cellulaires (déficit d’un facteur de croissance ou accumulation de déchets toxiques). La structure interne des cellules se modifie (production de métabolites secondaires) Bailey Fig p 353 Déficit de glucose Accumulation toxines La population max (phase stat.) dépend du pH et de Cglucose Phase exponentielle : effet de la température sur le taux de croissance 17 Bailey Fig p 344 Vitesse de croissance : rX = µ CX : µ dépend de la température Temps de génération Ln2/µ= f(T) Tracé d’Arrhérius Ln µ = f(1/T) Tracé d’Arrhérius pour une réaction enzymatique Si dénaturation de l’enzyme réversible : edénaturé/eactive = exp (-ΔGd/RT) 3 classes de microorganismes : Psychophiles : Topt ≈ 15°C Mésophiles : Topt ≈ 37°C Thermophiles : Topt > 50°C Importance du refroidissement Phase exponentielle : effet de la concentration en substrat 18 µ CS KS µmax CS µ = µmax –––––––– KS + CS La loi de Monod ne décrit pas l'inhibition par le substrat à S élevée CS = concentration de substrat Vitesse de croissance uploads/Industriel/ bilans-bio-2022.pdf