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See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/361115279 Cours de Microbiologie industrielle Presentation · June 2022 CITATIONS 0 READS 949 1 author: Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Research of new bioactive compounds from actinobacteria isolated from Algerian areas View project Messaoudi Omar Université Amar Telidji Laghouat 17 PUBLICATIONS 95 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Messaoudi Omar on 06 June 2022. The user has requested enhancement of the downloaded file. REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE وزارة التعــلـيــــم العـــالــــي و البــحث الـعلــــمـي MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE جــامعـــة عــمـــار ثــلــيــجــ ي باألغواط UNIVERSITE AMAR TELIDJI LAGHOUAT كلـــيــــــة العـــلـــــــوم FACULTE DES SCIENCES قسم البيولوجيا DEPARTEMENT DE BIOLOGIE Polycopie de cours Microbiologie industrielle Destiné aux étudiants de 3eme année licence Microbiologie. Préparé par : Dr Omar MESSAOUDI Maître de conférences B o.messaoudi@lagh-univ.dz Année universitaire 2020/2021 Préface La présente polycopie de microbiologie industrielle s’adresse aux étudiants de 3eme année licence Microbiologie, il est divisé en deux parties. La première partie permet à l’étudiant d’acquérir des connaissances fondamentales sur la matière, et cela par l’étude des trois principaux acteurs de la microbiologie industrielle, qui sont : les microorganismes industriels, les fermenteurs industriels, et les milieux de cultures industrielles. Après l’acquisition des notions de base, la deuxième partie de la matière discutera les différents produits de la fermentation industrielle, qui sont (i) : la biomasse microbienne : utiliser généralement comme source de protéines d’origine unicellulaire, (ii) : la production industrielle de certains métabolites primaires représentés par les acides aminés, les acides organiques et les biogaz, ainsi que (iii) la production industrielle de certains métabolites secondaires représentés par les antibiotiques, les polysaccharides et les vitamines. La pédagogie empruntée lors de l'élaboration de ce présent cours est basée sur l'utilisation d'un langage simple et basique, soutenu par des exemples. De plus, et afin de rendre le contenu plus accessible aux étudiants, beaucoup d'illustrations en forme de schémas simplifiés, de photos et de tableaux récapitulatifs ont été utilisés. De ce fait, il est toujours encourageant et motivant de recevoir des corrections, conseils et recommandations de la part de nos collègues enseignants et chercheurs. Liste des figures Figure 1 : Les étapes de l’amélioration génétiques des souches industrielles…… 7 Figure 2 : Les étapes du mutagène aléatoire…………………………………….. 8 Figure 3 : La méthode de brassage génétique…………………………………... 9 Figure 4 : Schéma d’un fermenteur……………………………………………... 14 Figure 5 : Fermenteur de type Batch (discontinu)……… …………………........ 15 Figure 6 : Évolution de taux de croissance des cellules (X), par rapport aux taux de conversion de substrat (S), la production de métabolites (P), au cours d’une fermentation industrielle …………………………………………………... 16 Figure 7 : Fermenteur de type Fed Batch……………………………………….. 17 Figure 8 : Fermenteur de type Fed Batch……………………………………….. 17 Figure 9 : Un bioréacteur continu de type turbidostat……………………..…... 18 Figure 10 : Processus de scale up………………………………………………… 18 Figure 11 : Réaction de conversion de α-cétoglutarate au succinyl-CoA………... 23 Figure 12 : Réaction de la formation de l’acide L-glutamique…………………... 23 Figure 13 : Biosynthèse de l'acide l-glutamique chez les souches mutantes…….. 23 Figure 14 : Réaction de la formation de l’acide citrique. 27 Figure 15 : Cycle du Krebs………………………………………………………. 27 Figure 16 : Schéma du procédé de la fabrication de l'acide citrique par la méthode de la fermentation en surface……………………………………………. 29 Figure 17 : Photos d’une usine de la fabrication de l’acide citrique par la fermentation en surface…………………………………………………………… 30 Figure 18 : Les étapes de la fabrication de l’acide citrique………………………. 31 Figure 19 : Les 4 étapes de la méthanisation…………………………………….. 33 Figure 20 : Structure du noyau de B-lactamines…………………………………. 39 Figure 21 : Structure de base de la pénicilline…………………………………… 39 Figure 22 : Substitution de groupement acyle de l'acide 6-aminopénicillanique (6-APA) par un nouveau radical………………………………………………….. 40 Figure 23 : Les étapes de la fabrication industrielle de la pénicilline……………. 41 Figure 24 : Structure chimique d’Alginate……………………………………….. 43 Figure 25 : Structure chimique de curdlan……………………………………….. 43 Figure 26 : Structure chimique de dextrane……………………………………… 43 Figure 27 : Structure chimique de la gomme gellane…………………………….. 44 Figure 28 : Structure chimique de pullulane……………………………………... 44 Figure 29: Structure chimique de la gomme xanthane…………………………… 45 Figure 30 : structure de la vitamine B12…………………………………………. 48 Liste des tableaux Tableau 1 : Quelques exemples de l’application des microorganismes en industrie…………………………………………………………………………… 4 Tableau 2 : Les bactéries hydrolytiques de la digestion anaérobie………………. 34 Tableau 3 : Les différentes réactions d’acidogènes……………………………… 35 Tableau 4 : Les réactions des bactéries acétogènes syntrophes………………….. 36 Table des matières Préface. Liste des figures Liste des tableaux Introduction. 1 I. Les domaines d’activité de la microbiologie industrielle et intérêt de l’utilisation des microorganismes en industrie. 2 1. Introduction……………………………………………………………. 2 2. Intérêt de l’utilisation des microorganismes en industrie. …………….….. 2 3. L'objectif recherché dans la fermentation industrielle. …………………… 3 4. Les domaines d’activité de la microbiologie industrielle. ………………... II. Les microorganismes industriels : isolement, sélection et amélioration des souches. …………….…………….…………….…………………….. 5 1. Introduction. …………….…………….…………….………………… 5 2. La stratégie suivie pour la recherche de nouvelles souches industrielle.. 5 2.1 Isolement des souches. ….…………….…………….……………………… 5 2.2 Sélection des microorganismes industriels. …………….……………. 6 2.3 Identification moléculaire des souches sélectionnées. ….……………. 6 3. Amélioration des souches sélectionnées. ….…………….…………….. 6 3.1 Mutagénèse aléatoire. ….…………….…………….………………… 8 3.2 Le brassage génétique. ….…………….…………….………………… 9 4. Faisabilité industrielle. ….…………….…………….………………….. 9 III. Les milieux de culture industriels. ….…………….…………….……… 11 1. Introduction. ….…………….…………….…………………………… 11 2. Les facteurs déterminant le choix de milieu de culture industrielle………. 11 3. La composition de milieu de culture industrielle. ….…………….…… 11 3.1. Sources de carbone. ….…………….…………….………………… 11 3.2. Sources d’azote. ….…………….…………….…………………….. 12 3.3. Les sels minéraux. ….…………….…………….………………….. 13 3.4. Les vitamines et les facteurs de croissances………………………….. 13 3.5. L’apport en O2. ….…………….…………….………………………. 13 3.6. L’ajout des antimousses. ….…………….…………….…………… 13 IV. Les fermenteurs industriels. ….…………….………………………….. 14 1. Introduction. ….…………….…………….………………………….... 14 2. Les types de fermenteurs. ….…………….…………….………………… 15 2.1. Le mode discontinu (ou batch). ….…………….…………….……… 15 2.2. Fed Batch (fermenteur discontinue et alimenté)……………………... 16 2.3. Fermentation continue. ….…………….…………….…………… 17 3. Processus de mise à l’échelle (ou extrapolation) : scale up……………… 18 V. Les produits de fermentations industrielles. 19 V.1. Les protéines d’organismes unicellulaires (P.O.U)…………………….. 19 1. Définition. ….…………….…………….……………………………... 19 2. La raison du besoin mondial des protéines d’origine unicellulaire……. 19 3. Les microorganismes utilisés pour la production des P.O.U…………….. 19 4. Critère de choix de microorganisme pour la production de P.O.U…….. 20 5. Production industrielle des P.O.U. ….…………….…………….……… 20 6. Avantages et inconvénient des POU. ….…………….…………….…… 20 V.2. Les métabolites primaires obtenus par fermentation microbienne. 22 V.2.1. Les acides aminés. ….…………….…………….…………………….. 22 1. Introduction. ….…………….…………….………………………….... 22 2. Exemple de la fabrication industrielle de l’acide glutamique……………. 22 3.1. Les principales souches microbiennes utilisées………………………. 22 3.2. Les principaux traitements utilisés pour favoriser la sécrétion de l’acide glutamique. ….…………….…………….………………… 24 3.3. Les conditions de culture……………………………………………. 24 V.2.2. Les acides organiques. ….…………….…………….………………… 26 1. Introduction. ….…………….…………….…………………………… 26 2. Définition et utilisation de l’acide citrique………………………………... 26 3. Structure chimique de l’acide citrique. ….…………….……………….. 26 4. Les microorganismes industriels producteurs de l’acide citrique……….. 26 5. Biosynthèse naturelle de l’acide citrique……………………………….. 27 6. Aspect biochimique de la biosynthèse industrielle de l’acide citrique……. 27 7. Le milieu de culture industriel utilisé pour la production de l’acide citrique. ….…………….…………….……………………………………. 28 8. Les étapes de la production industrielle de l’acide citrique……………. 29 8.1. Fermentation. ….…………….…………….……………………….. 29 8.2. Précipitation, extraction et purification de l’acide citrique………….. 30 V.2.3. Production du biogaz par le processus de méthanisation………………... 32 1. Introduction. ….…………….…………….…………………………… 32 2. L’intérêt de la méthanisation. ….…………….…………………………. 32 3. Aspect biochimique et microbiologique de la méthanisation……………... 32 3.1. L’hydrolyse. ….…………….…………….………………………… 33 3.2. L’acidogènes. ….…………….…………….…………………………. 33 3.3. L'acétogénèse. ….…………….…………….………………………… 35 3.3.1. Les bactéries homo-acétogènèse non syntrophes………….. 35 3.3.2. Les bactéries acétogènes syntrophes………………………… 35 3.4. La méthanogènese. ….…………….…………….………………… 36 4. Purification du biogaz (méthane). ….…………….…………….………. 36 V.3. Les métabolites secondaires obtenus par fermentation microbienne. 38 V.3.1. Les antibiotiques. ….…………….…………….……………………… 38 1. Introduction. ….…………….…………….…………………………… 38 2. La classe des B-lactamines. ….…………….…………….……………… 38 3. Production industrielle de pénicilline. ….…………….…………….….. 40 V.3.2. Les polysaccharides….…………….…………….…………………….. 42 1. Introduction. ….…………….…………….…………………………… 42 2. Les exopolysaccharide d’origine microbienne et leur application technologique. ….…………….…………….…………………………… 42 2.1. L’Alginate. ….…………….…………….………………………….. 42 2.2. Le curdlane. ….…………….…………….…………………………. 43 2.3. Le dextrane. ….…………….…………….…………………………. 43 2.4. La gomme gellane (E418). ….…………….…………….…………. 44 2.5. Le pullulane. ….…………….…………….………………………… 44 2.6. La gomme xanthane. ….…………….…………….………………… 45 3. Exemple de la fabrication industrielle du polysaccharide : la gomme xanthane. ….…………….…………….………………………………… 45 V.3.3. Les vitamines. ….…………….…………….…………………………. 47 1. Introduction. ….…………….…………….…………………………… 47 2. Structure et microorganismes producteurs de la vitamine B12……….. 47 3. Production industrielle de la vitamine B12…………………………….. 48 Références bibliographique. 50 Cours Microbiologie industrielle Omar MESSAOUDI 1 Introduction. L’utilisation des microorganismes pour le bien-être de l’homme est une pratique très ancienne qui revient à 7000 ans avant JC, avec les Sumériens ainsi que les Égyptien. Les microorganismes ont été utilisés pendant cette période d’une manière empirique, pour la conservation des denrées alimentaires, pour la préparation du pain, pour la fabrication de vinaigre et les boissons alcoolisées, ainsi que pour la fabrication du fromage (Baltz et al, 2010). Suite à la découverte des microorganismes, ainsi qu’aux connaissances et des expériences accumulées au uploads/Industriel/ cours-microbiologie-indutrielle.pdf