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1 Cours Bioprocédés Mejda Salhi 2018 Bioprocédés appliqués à l'agroalimentaire

1 Cours Bioprocédés Mejda Salhi 2018 Bioprocédés appliqués à l'agroalimentaire PLAN DU COURS.....................................................................................................................1 1. Définition..........................................................................................................................1 2. Domaines d'application...................................................................................................1 3. Types................................................................................................................................1 4. Technologie de fermentation.........................................................................................1 5. Historique........................................................................................................................2 6. Etapes de développement d'un bioprocédé industriel................................................3 7. Etapes d'un bioprocédé industriel.................................................................................3 7.1. Formulation du milieu de culture............................................................................3 7.2. Stérilisation..............................................................................................................4 7.3. Préparation de l'inoculum.......................................................................................4 7.4. Bioréacteur de production......................................................................................4 7.5. Séparation, récupération et purification des produits..........................................4 7.6. Traitement des effluents.........................................................................................4 8. Applications des bioprocédés........................................................................................5 8.1. Fermentation...........................................................................................................5 8.2. Culture de cellules eucaryotes supérieures...........................................................6 8.3. Bioprocédés environnementaux............................................................................7 2 Cours Bioprocédés Mejda Salhi 2018 1. Définition Un bioprocédé est un ensemble de techniques et de méthodes qui font appel à des cellules (animales, végétales ou microbiennes ou à leurs composantes) (enzymes, protéines, gènes..) pour la production de biens ou de services. Exemples: production de yaourts, de vins, de pénicilline, épuration des eaux usées… 2. Domaines d'application Les bioprocédés sont utilisés dans diverses industries: - Industries agro-alimentaires: boissons, levures, protéines animales.. - Industries chimiques: production d'acides organiques, d'éthanol.. - Industries pharmaceutiques: production d'anticorps, de vaccins, d'hormones.. - Industrie de l'environnement: traitement des effluents liquides, solides et gazeux.. 3. Types Ils sont ainsi classés en trois principaux domaines: - Les procédés de fermentation; - Les cultures de cellules animales et végétales; - Les procédés environnementaux. 4. Technologie de fermentation Le terme fermentation, en biochimie, désigne le processus de dégradation biologique en absence de l'air. En industrie, la fermentation désigne tout procédé permettant de produire un composé ou de la biomasse à grande échelle en faisant appel à un microorganisme en présence ou en absence d'air. Bioréacteur: 3 Cours Bioprocédés Mejda Salhi 2018 Les bioréacteurs ou fermenteurs sont des enceintes ou cuves utilisées pour la réalisation des fermentations. Leur rôle est d'assurer un environnement contrôlé pour la culture microbienne afin de réaliser une application bien déterminée. Le réacteur est menu de système de réglage des paramètres physico-chimiques ( pH, température, concentration des substrats, teneur en oxygène..) et permet d'éviter toute source de contamination. 5. Historique Des vestiges découverts ont montré que le recours à la fermentation remonte à la nuit des temps (7000 ans AJC). Les égyptiens ainsi que les autres peuples de la méditerranée ont réussi à maitriser la transformation du jus de raisin en vin et la conservation des aliments par fermentation. Le terme fermentation provient du mot latin "fermentare" utilisé par les romains et qui dérive du mot "fervere" pour décrire l'aspect bouillant du jus de raisin fermenté. Au cours de la pré-histoire, le phénomène de la fermentation a été considéré comme un miracle attribué aux dieux (Osiris) qui en offrent les produits aux humains pour apaiser leurs corps et leurs âmes. Au moyen âge, on expliquait ce phénomène par la théorie de la génération spontanée: les scientifiques qui soutenaient cette théorie postulaient pour la transformation spontanée de la matière organique. Au 16ème siècle, les microorganismes ont été découvert grâce au premier microscope inventé par le Hollandais Antonie Van Leeuvenhoek. Cette théorie n'a été rejetée qu'en 1850 par le chimiste français Louis Pasteur qui a démontré les actions microbiennes dans les fermentations alcooliques et acétiques. Actuellement, toute une discipline, la microbiologie industrielle, est consacrée à la maitrise de la fermentation pour la réalisation de productions constantes et en grandes quantités. Le génie génétique a permis de dépasser les limites des systèmes de production animales et végétales et de produire, par fermentation, des molécules recombinantes telles que l'insuline. 4 Cours Bioprocédés Mejda Salhi 2018 6. Etapes de développement d'un bioprocédé industriel L'histoire d'un bioprocédé commence dans un laboratoire avec des mini-réacteurs de 10 à 100ml de volume, c'est la phase de la recherche. Au cours de la deuxième phase, un pilote de développement de 10 à 100 L est conçu. On passe ensuite à l'industrialisation de ce pilote en un procédé de 10 à 100 m3 de capacité qui entre en production. 7. Etapes d'un bioprocédé industriel La mise en œuvre d'un bioprocédé se fait en 6 étapes: 1- Formulation du milieu de culture 2- Stérilisation du réacteur, de ses accessoires et du milieu de culture; 3- Développement d'un inoculum; 4- Fermentation; 5- Récupération et purification du produit; 6- Elimination des résidus du procédé. 7.1. Formulation du milieu de culture Le milieu de culture doit fournir les besoins nutritionnels de la souche cultivée en tenant compte de l'objectif de la fermentation: source de carbone, source d'énergie, sources d'azote, de soufre, de facteurs de croissance…les milieux synthétisés au laboratoire sont plus chers que ceux obtenus de la valorisation de sous produits des industries agroalimentaires tels que la mélasse et le lactosérum. Tableau 1. Les différents types de milieux de culture 5 Cours Bioprocédés Mejda Salhi 2018 7.2. Stérilisation Avant d'entamer la fermentation on applique une stérilisation par de la vapeur d'eau sous pression au milieu de culture à l'intérieur du bioréacteur. La stérilisation permet d'éliminer les contaminants qui partagent avec la souche ferment les mêmes paramètres de croissance. 7.3. Préparation de l'inoculum L'inoculum est constitué dela biomasse de la souche utilisée pour ensemencer le fermenteur. Cette biomasse peut être constituée de bactéries, de mycéliums, de spores, de cellules. L'inoculum doit être homogène et exempte de contaminants. Le passage de la souche industrielle sous sa forme lyophilisée ou congelée à un inoculum se fait à différentes échelles: 1- Culture agitée dans un erlen-meyers; 2- Préparation de la pré-culture ou "pied de cuve" dans un bioréacteur de propagation ayant un volume de 5 à 10% du fermenteur; 3- Inoculation du fermenteur. 7.4. Bioréacteur de production Il existe une grande variété de technologies de fermenteurs selon la production à réaliser et les exigences de la souche à cultiver. 7.5. Séparation, récupération et purification des produits Le produit peut être soit de la biomasse, des métabolites de croissance, des composés intracellulaires. La biomasse est récupérée par filtration, sédimentation, centrifugation. Elle est ensuite lavée, séchée et emballée. Dans le cas où le produit à récupérer est intracellulaire, la biomasse subit une lyse, le produit est récupéré, purifié puis concentré. Pour les métabolites, ils sont obtenus par extraction chimique par solvant organique du filtrat du milieu de culture. 7.6. Traitement des effluents Les eaux usées résiduaires des bioprocédés sont riches en matières organiques, en plus de grandes quantités d'acides et de bases utilisés pour le nettoyage du réacteur. Le 6 Cours Bioprocédés Mejda Salhi 2018 traitement de ces eaux usées fera l'objet des procédés environnementaux tels la méthanisation, le compostage… 8. Applications des bioprocédés 8.1. Fermentation Production de biomasse On distingue deux types de procédés: la production de biomasse viable et la production de biomasse morte. La biomasse viable, sous forme de ferment, est utilisée pour l'ensemencement et la réalisation de productions alimentaires ou pharmaceutiques, industrielles ou domestiques. Exemple: levure de boulangerie, ferments lactiques.. La biomasse viable comprend aussi les probiotiques (Bifidus regularius) et les agents de lutte biologique (Bacillus thuringiensis). La biomasse morte est utilisée comme supplément alimentaire riche en protéines, appelées Protéines d'Organismes Unicellulaires (POU). Exemple: Candida utilis renfermant 50 % de Protéines par biomasse sèche. Production de métabolites Les microorganismes, par la diversité de leurs voies métaboliques, permettent la production de molécules très complexes pour être produites par l'industrie chimique. On distingue: - Les métabolites primaires, produits au cours de la phase de croissance exponentielle par des voies métaboliques communes. Ils sont les résidus du catabolisme. Ils sont des alcools, des solvants et acides organiques exploités en IAA et en Industries chimiques. - Les métabolites secondaires, produits au cours de la phase stationnaire (ou de déclin) par des voies métaboliques particulières offrant un avantage compétitif à certaines espèces de bactéries et de moisissures. Ils sont issus de l'anabolisme, des inhibiteurs enzymatiques, des facteurs de croissance, des pigments.. 7 Cours Bioprocédés Mejda Salhi 2018 Production d'enzymes microbiennes Elles sont produites en quantités plus importantes et en coût réduit par rapport aux enzymes animales et végétales. Les enzymes, métabolites primaires, sont exploités en IAA. Les enzymes, métabolites secondaires, sont exploités en industrie pharmaceutique. Production de Protéines recombinantes Ces protéines sont obtenues de gènes animaux ou végétaux, insérés dans le génome d'un microorganisme. Les principaux Microorganismes recombinés sont: E. coli et Saccharomyces cerevisiae. Les protéines recombinantes sont à usage pharmaceutique: insuline, Hormone de croissance, Facteur VIII… Plasmides recombinants Les plasmides sont de petites molécules circulaires d'ADN extra chromosomique codant pour des caractères secondaires tels que la résistance à un antibiotique, les toxines, ..Ils se distinguent par leur réplication autonome. Ils sont utilisés comme support de gènes recombinants codant pour des protéines défectueuses ou inexistantes pour des fins thérapeutiques. Bioconversion C'est la transformation d'une molécule en un produit à haute valeur ajoutée. Les réactions biochimiques de base sont: la déshydrogénation, l'oxydation, désamination, décarboxylation, isomérisation. Ces réactions enzymatiques sont avantageuses par rapport aux conditions physico-chimiques qui nécessitent des conditions drastiques ainsi que l'utilisation de catalyseurs chimiques. 8.2. Culture de cellules eucaryotes supérieures Les cellules animales et végétales sont à machinerie enzymatique développée. Elles sont utilisées pour la production de produits à usage thérapeutique ne pouvant être synthétisés par des microorganismes OGM. - Les cellules animales issues de Hamster, de rats ou de souris sont utilisés pour la fabrication uploads/Industriel/ chapitre-bp1.pdf