Définitions fondamentales
Louis Pasteur définit la fermentation comme « la vie en absence d’oxygène ». Cette définition souligne que la fermentation est un processus métabolique qui se déroule sans apport d’oxygène, permettant aux micro‑organismes de convertir l’énergie chimique contenue dans les sources de carbone (principalement les sucres) en énergie directement utilisable par la cellule.
Le terme fermenteur désigne la cuve où se déroulent les réactions de fermentation. Selon le mode de fonctionnement, le fermenteur peut être discontinu (batch), semi‑continu (fed‑batch) ou continu. Le mode discontinu correspond à une culture où aucune alimentation ni soutirage ne sont effectués pendant la phase de croissance, le volume restant constant.
Types de fermentation
Il existe deux grands types de fermentation :
- Fermentation alcoolique : produit de l’éthanol et du CO₂.
- Fermentation lactique : produit de l’acide lactique sans libération de CO₂.
La différence principale entre ces deux voies réside dans leurs produits finaux. La fermentation alcoolique génère à la fois de l’éthanol et du dioxyde de carbone, alors que la fermentation lactique ne produit que de l’acide lactique.
La fermentation acétique, quant à elle, se réalise en présence d’oxygène (aérobie). Elle utilise des bactéries acétifiantes qui transforment l’éthanol en acide acétique, nécessitant donc un apport d’oxygène.
La fermentation propionique ne produit pas d’acide butyrique ; elle transforme le lactose en acides propionique et acétique.
Biomasse et protéines cellulaires uniques
La biomasse est définie comme le matériel organique cellulaire des organismes mis en culture. Cette biomasse microbienne est également appelée Single Cell Protein (SCP). La SCP peut fournir des vitamines aux humains, constituant ainsi une source nutritionnelle intéressante.
Fonctionnement des fermenteurs et bioréacteurs
Les fermenteurs et les bioréacteurs ne désignent pas exactement le même équipement. Le terme « fermenteur » est réservé aux cultures de micro‑organismes (bactéries, levures), tandis que le « bioréacteur » s’applique aux cultures de cellules animales.
Les bioréacteurs remplissent quatre fonctions majeures :
- Transfert de matière.
- Transfert de chaleur.
- Maintien de la stérilité.
- Suivi des paramètres (pH, température, agitation, etc.).
Deux configurations principales sont utilisées :
- Réacteur continu parfaitement agité : la composition du milieu est homogène partout dans le réacteur.
- Réacteur à lit fixe : les micro‑organismes ou enzymes sont immobilisés sur un support solide, augmentant la concentration locale.
La différence entre fermentation continue et discontinue (batch) réside dans les flux d’entrée et de sortie. En continu, l’alimentation et le soutirage sont continus (débit d’alimentation Q = débit de soutirage Q). En batch, aucun flux n’est présent pendant la culture (Q = 0).
Mesures de performance
Le taux de croissance μ (h⁻¹) mesure l’accroissement de la population microbienne dans le temps. Le temps de doublement td (h) est lié à μ par la relation td = ln(2)/μ.
Le rendement compare la biomasse produite à la consommation du substrat. Un rendement élevé indique une conversion efficace du substrat en biomasse.
Antibiotiques et enzymes
Un antibiotique est une molécule qui détruit ou bloque la croissance des bactéries. Les antibiotiques agissent en bloquant une étape essentielle du développement bactérien, ce qui empêche la prolifération des pathogènes.
Il est important de noter que les antibiotiques ne sont pas efficaces contre les virus.
Toutes les enzymes ne sont pas produites par des micro‑organismes. Seules les enzymes microbiennes issues de la fermentation ont connu une expansion industrielle significative.
Applications industrielles
Un exemple notable est la production de vitamine B12 par la levure Ashbya gossypii. Cette levure est largement utilisée dans l’industrie pour fournir une source fiable de cette vitamine essentielle.
Enfin, le choix entre un fermenteur à toit ouvert et un fermenteur fermé dépend des besoins spécifiques du processus. Un fermenteur ouvert permet un accès manuel et le pressage (utile pour la fermentation du vin), tandis qu’un fermenteur fermé protège contre la contamination extérieure (crucial pour la bière et d’autres produits sensibles).
