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INTRODUCTION À LA BIOTECHNOLOGIE ET BIOPROCÉDÉS 1- définition Définition selon

INTRODUCTION À LA BIOTECHNOLOGIE ET BIOPROCÉDÉS 1- définition Définition selon l’OCDE : C’est l’application de la science et de la technologie aux organismes vivants et à d’autres matériaux vivants ou non vivants, pour la production de savoir, biens et services La biotechnologie constitue l’évolution naturelle de la biologie et de l’ingénierie possible grâce au perfectionnement de la technologie (méthodes de séparation, méthodes optiques, …) et à l’explosion de connaissances sur le fonctionnement de la cellule et du matériel biologique  OCDE : Organisation de coopération et de développement économiques 2-2 mise en place de la biotechnologie Afin de pouvoir mettre en place un procédé biotechnologique, il faut:  Des moyens matériels: capacités matérielles pour mettre en place le système de production à grande échelle du «produit d’intérêt». Ces capacités comprennent les moyens de la recherche (au laboratoire), du développement (à l’échelle pilote) et de la production (à l’échelle industrielle) .  Des connaissances: un socle pluridisciplinaire : plusieurs dicsciplines sont mises à contribution dans la mise en place d’un procédé en biotechnologie, la biologie, la microbiologie, la biologie moléculaire, la chimie, la biochimie, la physique, la biophysique, la génétique, l’informatique, et le génie industriel. 3- Eléments du génie biochimique (la cellule, le microorganisme, la fermentation) Levure Bactérie virus Enzymes ADN Eucaryotes Procaryotes Virus Molécules Le principe de l’usine cellulaire  Le biocatalyseur qui permet de faire dans des conditions douces des réactions (nécessitant des conditions extrêmes ou ayant des rendements faibles ex-vivo)  Substrat + Usine cellulaire:  Métabolites primaires (issus des voies métaboliques nécessaires à la survie : la respiration) Métabolites secondaires (souvent produit lorsque le milieu s’appauvrit) Le bioprocédé permet de faire fonctionner le biocatalyseur avec un contrôle «fin» des conditions L’utilisation de l’usine cellulaire Usine cellulaire Substrat de fermentation produit de fermentation Domaines d’application des biotechnologies DOMAINES APPLICATIONS Biotechnologie ROUGE/ Médecine -Production de vaccins et d’antibiotiques -Techniques de diagnosctic moléculaire -Industrie pharmaceutique et cosmétique Biotechnologie VERTE/ Agriculture -Production de variétés végétales modifiées -Production de races animales modifiées -Production de biofertilisants et de biopesticides -Agroalimentaire Biotechnologie JAUNE/ Environnement -Entretien de la biodiversité -Dépollution Biotechnologie BLANCHE/ Industrie -Procédés industriels (conception et production de nouveaux matériaux ) - Développement de nouvelles sources d’énergie durables comme les biocarburants Biotechnologie BLEUE/ Mer -Exploitation des ressources maritimes pour créer de nouveaux produits - Production de biomatériaux et agents pharmacologiques régénératifs LA CINÉTIQUE MICROBIENNE 1) Etude de la cinétique de la croissance microbienne 2) Courbe de croissance microbienne Etude de la cinétique de la croissance microbienne Microbe Conditions de croissance Reproduction du microbe Synthèse d’un composé d’intérêt But de la Biotechnologie Calcul du temps de génération Bilan chimique A CaHbOc + B O2 + D NH4OH → CαHßONδ + F CO2 + G H2O + Q KJ CaHbOc source d’énergie: pour la production d’énergie sous forme d’ATP source de carbone: constitution de la biomasse B O2 source d’oxygène : si la reproduction conduisant à la synthèse de la biomasse est aérobie NH4OH source d’azote amoniacal : la synthèse de constituants cellulaires CαHßONδ Représente le seul produit formé = biomasse= formule brute de la matière séche cellulaire; (90% ). Exemple: C4,41H7,3O1,19N0,86 correspond à 52% C, 7,2% H, 12% N, 19% O Problématique de la Biotechnologie Quelle sera la composition du milieu de culture? Qualité et quantité? A quel prix et pour quel rendement? Teneur en Azote En connaissant le rendement en biomasse recherché (g de biomasse/g de S) + sa teneur en azote → Évaluation de la quantité nécessaire à l’opération. Quantité d’oxygène Ox : qt d’oxygène devant être fournie à la culture exprimée en g/g de biomasse produite M : Masse moléculaire du « S » Y : Coefficient de conversion du « S » (g de biomasse produite/ g de S consommé C, H, O, N : Les % des éléments respectifs dans la biomasse produite a, b, c : Nombre d’atomes de C, H et O dans une moles de S La courbe de croissance microbienne Conditions d’étude: Culture de type classique, température constante et favorable, ensemencement, croissance jusqu’à épuisement du milieu Principe de l’étude: Suivre en fonction du temps: X (concentration cellulaire ou concentration en biomasse microbienne), Log X (Linéarisation de courbe x=f(t)) dX/dt (vitesse de croissance exprimée en g/L.h µ (= dX/dt × 1/X; vitesse spécifique de croissance ou vitesse de croissance rapportée au taux de croissance Phases de croissance 1: Phase de latence 2: Phase de départ 3: Phase exponentielle ou de croissance 4: Phase de ralentissement 5: Phase stationnaire 6: Phase de déclin 1) La phase de latence Caractérisée par une vitesse de multiplication nulle. Cette phase correspond à une période d'adaptation de l'inoculum à son nouvel environnement de croissance. La durée de cette période dépend de la nature du milieu d'accueil, de l'état physiologique des cellules inoculées et éventuellement de la taille de l'inoculum; La phase de départ la phase d'augmentation de la vitesse de croissance qui passe plus ou moins rapidement de zéro à sa valeur maximale La phase exponentielle Elle se présente sous la forme d'une portion linéaire lorsque l'on représente l'évolution du Logarithme de la concentration bactérienne ou de la biomasse en fonction du temps. Pour une bactérie donnée, la valeur de cette vitesse de croissance maximale dépend des caractéristiques du milieu de culture. Dans cette phase; le microorganisme a un potentiel de multiplication et de synthèse Considérables, intéressants pour son exploitation en biotechnologie La phase de ralentissement La courbe X=f(t) présente un point d’inflexion = •Epuisement du milieu de culture (disparition de un ou plusieurs composés nécessaires à la croissance •Accumulation de produits inhibiteurs résultants du métabolisme microbien 5: La phase stationnaire X atteint son niveau maximal « Xf » L’augmentation de la concentration cellulaire s’arrête Les cellules conservent une activité métabolique; leur structure biochimique subit des modifications 6: La phase de déclin Diminution du nombre de cellules viables; augmentation progressive du taux de mortalité Décroissance de la concentration en biomasse par autolyse sous l’action des enzyme des Cellules elles-mêmes. Les 2 dernières phases stationnaire et déclin = production des métabolites secondaires Résultats de l’analyse de la courbe de croissance: Déduction du coefficient de conversion du substrat Yx/s = (Xf – X0) /(S0 – S) S0: concentration initiale en S S:concentration résiduelle de S, négligeable devant S0 Yx/s s’exprime en: Rendement pondéral: g de M.S. produits par g de S Rendement molaire: par mole de S métabolisé Productivité maximale : Pm = Xm/tm Productivité totale: PT= Xf/TM La productivité = g de biomasse produits par L de milieu de culture et par heure= Critère retenu pour l’évaluation d’un procédé de fermentation industriel : Influence des facteurs extérieurs sur la croissance microbienne Influence quantité de S µ = µm ( S/Ks+S) Température Psychrophiles : T°C opt: 15°C Vitesse réduite: 0°C et 25°C Mésophiles : T°C opt: 30°C Vitesse réduite: 15°C et 45°C Thermophiles : T°C opt: 55°C Vitesse réduite: 37°C et 65°C pH 9 à 9,5: limite de la quasi-totalité des microorganismes 0 à 8: Bactéries en général neutrophiles (7); certaines acidophiles (5; lactiques, acides organiques); chimiolitotrophes (métabolisant le souffre; jusqu’à 1 voire 0) Levures et moisissures: de 3 à 8 I- LES PROCÉDÉS DE FERMENTATION (DESCRIPTION ET BILANS DE PROCÉDÉS À L’ÉQUILIBRE) 1) Culture discontinue ou Batch process 2) Culture discontinue alimentée ou Fed batch process 3) Culture continue avec et sans recyclage de la biomasse III- FERMENTEUR EN PHASE SOLIDE II- LES FERMENTEURS AGITÉS: DESCRIPTION DES RÉACTEURS ET DES SYSTÈMES PÉRIPHÉRIQUES 1) Stérilisation et maintien de l’aseptie 2) Distribution de l’air comprimé 3) Le matériel annexe 4) La régulation et l’automatisation = BIOREACTEURS A BIOMASSE IMMOBILISEE (REACTEURS HETEROGENES) I- Bioréacteur ou fermenteur -Modèles de laboratoire vont de 0,1 à 15 litres. -Modèles employés pour les tests en vue de l'industrialisation (appelés "pilotes") vont de 20 à 1 000 litres. -Modèles destinés à la production industrielle peuvent dépasser les 1 000 m3. contrôler les conditions de culture (température, pH, aération, etc.). Le procédé de fermentation 1) Culture discontinue ou Batch process X0 → Xf Po → Pf So → Sf Introduction de l’inoculum dans le fermenteur: Remplir de milieu de culture puis stérilisation; ou stérilisation vide et rempli de milieu de culture stérile. Aucune introduction de milieu après le lancement de la fermentation (possibilité d’introduction de réactifs de neutralisation ou un produit anti-mousse en très faible quantité. Aucun prélèvement de culture avant la fin de la Fermentation sauf de petits volumes pour analyse Le volume de la suspension reste constant durant tout le processus de fermentation. La concentration en biomasse augmente selon la courbe de croissance microbienne. La vitesse de croissance cellulaire Rx = dX/dt Le temps nécessaire (tB) pour passer de Xo à Xf: 1/RX 1/RX0 1/RXf X0 Xf X tB Correspond à l’aire sous la courbe des variations de l’inverse de la vitesse de croissance en fonction de la concentration entre Xo et Xf Par le même type de raisonnement, on peut calculer la vitesse d’apparition du métabolite recherché Rp. Le temps nécessaire sur l’ensemble de la fermentation pour obtenir la concentration maximale Pf: Inconvénient du Batch process: Utilisation d’un faible uploads/Industriel/ cours-biotechnologie-2022 1 .pdf