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FBTF FBTF Page 1 Cours Techniques des Fermentations et Bioprocédés Master 1 Bio

FBTF FBTF Page 1 Cours Techniques des Fermentations et Bioprocédés Master 1 Biotechnologies Alimentaires Exemple d’évaluation de la performance d’une fermentation (Section 2. Performance d’un bioprocédé) Le tableau 3 fournit les mesures de biomasse, de glucose consommé et d’éthanol produit, au cours d’une fermentation alcoolique de 28 heures avec la levure Saccharomyces cerevisiae cultivée en bioréacteur dans un milieu à base de sucre de maïs. Ces données permettent de calculer plusieurs variables attestant de la performance du procédé. Tableau 3. Suivi de la production d’éthanol par Saccharomyces cerevisiae en bioréacteur (T° = 30°C, pH = 6,0, conditions d’anaérobies). Temps de fermentation (h) Biomasse (X en g/L) ln X Concentration en glucose (S en g/L) Concentration en éthanol (P en g/L) 0 5 9 13 16 20 24 28 1.5 2.0 3.5 6.2 8.2 9.4 9.8 9.9 0.41 0.69 1.25 1,82 2.10 2.24 2.28 2.29 250 237 208 152 108 65.0 43.0 20.0 6.25 10.2 32.9 52.0 65.0 76.0 84.5 90.0 1/ Le taux de croissance spécifique maximal de la levure (µmax) correspond à la pente de la droite obtenue en phase exponentielle sur la courbe de croissance, soit entre 5 et 13 heures de fermentation. Calculer le ? 2/ Le temps de génération (G) est calculé directement à partir de la valeur de µmax FBTF FBTF Page 2 Ln2 µmax Ln 2 = 0.693 3/ Calculer le rendement en biomasse pour l’ensemble de la fermentation ? 4/ Calculer le rendement en éthanol ? 5/ Calculer le rendement en éthanol par rapport à la biomasse ? 6/ Calculer le taux de production spécifique ? 7 Calculer la productivité maximale en biomasse ? 8/ Calculer la productivité totale en biomasse ? 9/ Calculer la productivité en éthanol pour toute la fermentation ? SOLUTION µmax est une vitesse constante pendant la phase exponentielle c’est la variation de la concentration du substrat en fonction du temps. µmax = ln X2- ln X1/ t2-t1 = 1,82 - 0,69/13h - 5h = 0,14h-1 2/ Le temps de génération (G) est calculé directement à partir de la valeur de µmax G = ln 2/ µmax = 0,693/0,14h-1 = 4,95 h Ln 2 = 0.693 3/ Calculer le rendement en biomasse pour l’ensemble de la fermentation ? Le rendement en biomasse (Yx/s) est calculé pour l’ensemble de la fermentation selon la formule suivante G = FBTF FBTF Page 3 Yx/s = X-X0/S0 – S = 9,9 - 1,5g/L/250-20g/L= 0,036 = 3,6% 4/ Calculer le rendement en éthanol ? le rendement en éthanol est calculé pour l’ensemble de la fermentation selon la formule suivante : Yp/s = P-P0/S0 – S = 90 – 6,25g/L/250 – 20g/L = 0,36 = 36% 5/ Calculer le rendement en éthanol par rapport à la biomasse ? Yp/x = 0,36g/g / 0,037g/g = 9, 73g/g = 973 % 6/ Calculer le taux de production spécifique maximal? Le taux de production spécifique maximal d’éthanol Qpmax peut être calculé à partir des valeurs de Yp/x et de µmax puisque l’éthanol, un résidu catabolique, est un produit dépendant de la croissance. Qpmax = Yp/x . µmax = 9,73g/g. 0,14h -1 = 1,36h-1 7 Calculer la productivité maximale en biomasse ? La productivité maximale en biomasse (Px max) correspond à la quantité maximale de cellules qui peuvent être produites par litre de culture par heure de fermentation Elle peut être déterminée graphiquement en traçant une tangente à partir de l’origine de la cinétique de croissance (X0, t0) jusqu’au point d’inflexion, en décélération, qui sépare la phase exponentielle et la phase stationnaire. En effet, au-delà de ce point (Xm, tm), la croissance ralentit suffisamment pour entrainer vers la baisse de la productivité en biomasse. Elle est calculée à partir des valeurs de Xm et tm Px max = Xm – X0 / tm- t0 FBTF FBTF Page 4 Px max = productivité maximale en biomasse g/L/h Xm= concentration en biomasse au temps tm (g/L) X0 = concentration initiale en biomasse (g/L) tm c’est le temps où la productivité en biomasse est maximum est maximal (h) t0 temps au début de la fermentation (h) 8/ Calculer la productivité totale en biomasse ? La productivité totale en biomasse (Px tot), elle est calculée pour toute la fermentation Px tot = Xt – X0 / tt – t0 = 9,9 – 1,5 g/l/ 28h – 0h = 0,3 g/L/h 9/ Calculer la productivité en éthanol pour toute la fermentation ? La productivité en éthanol (PP) est aussi calculée pour toute la fermentation Pp = Pt –P0 / tt- t0 = 90 – 6,25 g/L / 28h – 0h = 2, 99 g/ L/ h FBTF FBTF Page 5 CHAPITRE III CONTROLE ET AMELIORATION DE LA FERMENTATION I. Amélioration des souches industrielles Les manipulations génétiques sont utilisées pour produire des microorganismes dotés de caractéristiques nouvelles ou souhaitées. On outre, les méthodes classiques de la génétique microbienne jouent un rôle vital dans le développement de culture pour la microbiologie industrielle. 1.1. La mutation Dès la découverte d’une culture prometteuse, on peut utiliser pour l’améliorer une variété de techniques parmi lesquelles la mutagénèse chimique et l’irradiation UV. Exemple la souche de Penicillium chrysogenum – la souche NRRL 1951- isolée en 1943 qui fut améliorée par mutation (Figure 4). Aujourd’hui la plus grande partie de la pénicilline est produite par P. chrysogenum, cultivée dans des fermenteurs aérobies à agitation rotative, qui donnent des rendements en pénicilline 55 fois supérieur à celui des cultures statiques originales. 1.2. La fusion des protoplastes Actuellement la fusion des protoplastes est largement utilisée avec les levures et les moisissures. Pour effectuer des études génétiques sur ces microorganismes, on prépare des protoplastes en cultivant des cellules dans des solutions isotoniques, tout en les traitants par des enzymes, dont la cellulase et le β-galacturonidase. Lorsqu’il y’a fusion et formation d’hybrides, on identifie les recombinants désirés par les technique sélectives d’étalement sur boite. Après régénération de la paroi, le produit de la fusion des protoplastes peut servir à des études ultérieures. FBTF FBTF Page 6 FBTF FBTF Page 7 Un grand nombre avantage de la technique de la fusion des protoplastes est de pouvoir fusionner des protoplastes de différentes espèces microbiennes, même si elles ne sont pas proches taxinomiquement. Par exemple, on a fusionné des protoplastes de Penicillium roqueforti et P. chrysogenum. Même des protoplastes de levures avec des érythrocytes peuvent être fusionnés 1.3. L’insertion de courtes séquences d’ADN De courts segments d’ADN synthétisés chimiquement peuvent être insérés dans des microorganismes hôtes par le processus de la mutagénèse dirigée. On peut ainsi créer de petites modifications génétiques qui induisent le changement d’un ou de plusieurs acides aminés dans la protéine cible. On s’est aperçu, que, dans beaucoup de cas, ces changements mineurs entrainent des modifications inattendues dans les caractéristiques de la protéine et donnent de nouveaux produits : enzymes capables de catalyser des réactions souhaitées. Ces approches relèvent du domaine de l’ingénierie des protéines. On peut ainsi construire des enzymes et des peptides biologiquement actifs, dotés de caractéristiques nettement différentes (stabilité, cinétique, activité….). On peut aussi mieux comprendre la base moléculaire de fonctionnement de ces produits modifiés. Un des domaines les plus intéressants est la conception de sites actifs d’enzymes, qui pourraient modifier des « substrats non naturels ». Cette approche peut conduire à une meilleure transformation de matières récalcitrantes, ou même à la biodégradation de matière qui jusque-là n’y étaient pas sujettes. 1.4. Transfert de l’information génétique entre organismes différents La biologie combinatoire est un domaine qui se développe rapidement ; c’est le transfert d’acides nucléiques entre organismes différents. Des gènes codant pour la synthèse d’un produit spécifique sont transférés d’un organisme dans un autre, ce qui donne au receveur des capacités variées, telles que le pouvoir de dégrader plus efficacement les hydrocarbures. Un des premiers exemples importants de cette approche fut la création d’un « super microbe » par A. M Charkabarty 1974. Cet organisme était doté d’une capacité accrue de dégrader les hydrocarbures. On peut transférer les gènes de la production d’un FBTF FBTF Page 8 antibiotique dans un microorganisme qui produit un autre antibiotique, ou même dans un microorganisme qui n’en produit pas. En exprimant l’ADN dans des organismes différents, on peut obtenir une production plus efficace et réduire les étapes de purification requises pour avoir un produit utilisable. Par exemple, on peut répliquer des baculovirus recombinants dans des larves d’insectes, pour obtenir rapidement une production à grande échelle des virus ou de la protéine désirée. On peut aussi insérer une large gamme d’informations génétiques dans des microorganismes, au moyen de vecteurs et des techniques de l’ADN recombinant. Les vecteurs inclus les chromosomes artificiels comme ceux de levures « YAC », de bactéries « BAC », de mammifères « MAC » et les chromosomes dérivés de bactériophages P1 (PAC). Les YAC sont particulièrement intéressants, parce qu’on peut maintenir dans la cellule de levure de longues séquences d’ADN (plus de 100 kb) sur un chromosome séparé. Un bon exemple de l’emploi de vecteur est fourni par le virus qui provoque la fièvre aphteuse chez le bétail. On peut incorporer chez Escherichia uploads/Industriel/ techniques-des-fermentations-et-bioprocedes-m1bta.pdf