Comment assurer un apport optimal d'oxygène aux micro-organismes pendant le processus de fermentation biologique

La fermentation biologique est un procédé de bio-ingénierie important, largement utilisé dans des domaines tels que l'agroalimentaire, la médecine, la protection de l'environnement et l'énergie. Son principe repose sur l'exploitation de l'activité métabolique des micro-organismes pour synthétiser des produits spécifiques, comme les antibiotiques, les acides aminés, les acides organiques, les préparations enzymatiques et les biocarburants. Au cours de ce processus, l'oxygène joue un rôle crucial dans la croissance, le métabolisme et la synthèse des produits de la plupart des micro-organismes aérobies, tels que les levures, les actinomycètes, les champignons et certaines bactéries. Garantir un apport d'oxygène adéquat et approprié aux micro-organismes pendant la fermentation est essentiel pour améliorer l'efficacité de ce processus, stabiliser la qualité de la production et réduire les coûts.

Cet article explorera systématiquement comment assurer un apport optimal d'oxygène aux micro-organismes dans le processus de fermentation biologique, en abordant des aspects tels que le rôle de l'oxygène dans la fermentation, les facteurs affectant l'apport d'oxygène, les stratégies courantes d'apport d'oxygène et les techniques de régulation, ainsi que les tendances de développement futures.

I. Le rôle de l'oxygène dans la fermentation biologique

Le rôle de l'oxygène dans fermentation microbienne cela se reflète principalement dans les aspects suivants :

• Participation au métabolisme énergétique : Chez les micro-organismes aérobies, l’oxygène est l’accepteur final d’électrons dans leur chaîne respiratoire et un élément clé de la production d’ATP (monnaie énergétique cellulaire). L’efficacité métabolique est considérablement réduite en conditions anaérobies.
• Maintien de l'équilibre métabolique : la concentration en oxygène influence de manière déterminante l'orientation de la voie métabolique de fermentation. Par exemple, lorsque la ventilation est suffisante, la levure privilégie le métabolisme respiratoire et réduit la production d'éthanol, ce qui favorise la croissance cellulaire.
• Favoriser l'anabolisme : La synthèse de nombreux produits métaboliques nécessite la participation de systèmes d'oxydases ou d'espèces réactives de l'oxygène, comme les antibiotiques, les enzymes, les biosurfactants, etc.
• Régulation de l'expression génétique : L'oxygène peut également affecter l'expression génétique des micro-organismes en régulant les voies de transduction du signal, comme par exemple en régulant les réponses au stress oxydatif et les cycles cellulaires.

Par conséquent, un apport d'oxygène suffisant est la condition de base pour assurer le fonctionnement stable du système de fermentation et améliorer le rendement du produit.

Système de fermentation bioréacteur de type production MIKEBIO

II. Facteurs clés affectant l'apport en oxygène

Le processus de transfert d'oxygène de la phase gazeuse aux cellules microbiennes comprend deux étapes : le transfert de masse gaz-liquide et le transfert de masse liquide-solide. Son efficacité est influencée par de multiples facteurs :

1. Vitesse d'agitation

L'agitation accroît la turbulence du liquide et améliore le renouvellement de l'interface gaz-liquide, accélérant ainsi la dissolution et la distribution de l'oxygène. Cependant, une agitation trop rapide peut provoquer la formation de mousse et des dommages par cisaillement, nuisibles à certains micro-organismes comme les champignons.

2. Débit et méthode de ventilation

Le débit d'aération détermine directement la quantité d'oxygène entrant dans le réacteur, et l'unité couramment utilisée est le vvm (volume d'air/volume de milieu de culture/minute). Les méthodes d'aération comprennent l'aération par le bas, l'aération étagée et l'aération microporeuse, etc. Cette dernière permet d'augmenter significativement la surface d'interface gaz-liquide.

3. Niveau d'oxygène dissous (OD)

L'oxygène dissous désigne la concentration d'oxygène dissous dans le milieu de culture, souvent exprimée en DO% (pourcentage de saturation en air). La sensibilité à l'oxygène dissous varie selon les micro-organismes. Certains produits (comme la gibbérelline) ne sont synthétisés qu'en conditions de faible concentration en oxygène dissous.

4. Viscosité du milieu de culture

Les systèmes à haute viscosité (comme le bouillon de fermentation mycélienne) entravent la diffusion de l'oxygène, ce qui diminue l'efficacité du transfert de masse. Ce type de système nécessite un système d'apport d'oxygène spécialement conçu, par exemple en augmentant la force de cisaillement ou en utilisant un agitateur ventilé.

5. Types et états des micro-organismes

Les besoins en oxygène varient considérablement selon les types de micro-organismes et les stades métaboliques. Par exemple, ils sont élevés pendant la phase de croissance et diminuent pendant la phase stable. Par ailleurs, l'agglomération cellulaire ou la formation de biofilms peuvent également réduire l'efficacité de l'apport local d'oxygène.

III. Stratégies pour améliorer l'efficacité de l'approvisionnement en oxygène

1. Optimiser la conception du système de ventilation

• Utilisez des aérateurs microporeux : les minuscules bulles ont une grande surface et l’oxygène s’y dissout facilement.
• Ventilation multipoints : Pour les grandes cuves de fermentation, une ventilation stratifiée ou en spirale est adoptée afin d’éviter l’hypoxie en surface.
• Ventilation à l'oxygène pur ou à l'air enrichi en oxygène : augmente la concentration d'oxygène dans l'air entrant, convient à la fermentation à haute densité.

2. Renforcer les méthodes et les dispositifs d'agitation

Utilisez des pales d'agitation multicouches ou des turbines à flux composé axial-radial ;

L'association d'une agitation mécanique et d'une agitation gazeuse est adoptée pour améliorer l'uniformité de la distribution de l'oxygène dans le bouillon de fermentation.

Dans les systèmes qui ne se prêtent pas à une agitation vigoureuse (comme les bactéries filamenteuses), on utilise des réacteurs à air comprimé ou des réacteurs à lit fluidisé au lieu des cuves d'agitation traditionnelles.

3. Contrôler le niveau d'oxygène dissous

En utilisant la sonde à oxygène dissous (capteur DO) + ​​le système de contrôle par rétroaction, les opérations telles que l'agitation, la ventilation et l'alimentation sont automatiquement ajustées pour maintenir le DO dans la plage idéale (par exemple 30 %-60 %).

Lorsque la teneur en oxygène dissous est trop faible : augmenter automatiquement la vitesse d’agitation ou ajouter de l’air ;

Lorsque la concentration d'oxygène dissous est trop élevée : réduire l'agitation ou la ventilation pour éviter une intoxication à l'oxygène.

4. Appliquer des substances transportant de l'oxygène ou des promoteurs d'oxygène dissous

Ajouter du peroxyde d'hydrogène (en très petites quantités) ou des agents dissolvant l'oxygène (tels que de l'huile enrichie en oxygène) ;

Utiliser des microcapsules transportant de l'oxygène ou des matériaux à film liquide à haute efficacité pour retarder et stabiliser la libération d'oxygène ;

Des transporteurs d'oxygène à l'état de traces (tels que des matériaux biomimétiques de globules rouges) sont ajoutés lors de la fermentation anaérobie partielle.

5. Modifier la stratégie de processus culturel

Apport d'oxygène segmenté : réguler l'apport d'oxygène en fonction du stade métabolique des micro-organismes, par exemple en introduisant de l'oxygène au début de la phase de croissance et en contrôlant l'oxygène dissous pendant la phase de synthèse du produit afin d'induire un métabolisme spécifique ;

Alimentation à haute densité et fermentation par lotsLes sources de carbone et l'oxygène sont ajoutés à différents moments afin d'éviter une charge d'oxygène instantanée excessive.

IV. Analyse de cas et pratique de l'ingénierie

• Exemple 1 : Régulation de l’apport en oxygène dans la production d’antibiotiques (pénicilline)

Les bactéries fermentant la pénicilline (comme Penicillium chrysogenum) nécessitent une grande quantité d'oxygène pour favoriser la prolifération cellulaire en début de croissance, tandis que leurs besoins en oxygène diminuent pendant la phase de production de la pénicilline afin de réguler leur métabolisme secondaire. En production :

Adopter une stratégie de régulation progressive de l'oxygène dissous : maintenir à 50-60 % dans la phase initiale et réduire à 30-40 % dans la phase ultérieure ;

Utiliser des aérateurs microporeux en combinaison avec des agitateurs à palettes à deux couches ;

En culture à haute densité, on utilise un apport d'air enrichi en oxygène.

• Deuxième exemple : Besoins en oxygène pour l’expression des protéines recombinantes (Escherichia coli)

Lorsque des protéines recombinantes sont exprimées dans Escherichia coli, la densité cellulaire est extrêmement élevée et la demande en oxygène augmente fortement :

Maintenir l'apport en oxygène par supplémentation en oxygène pur.

Utilisez la stratégie d'augmenter progressivement la vitesse d'agitation pour éviter une hausse soudaine de la température ou la formation de mousse.

Des tours de réaction gaz-liquide sont introduites dans certains procédés pour améliorer l'efficacité du transfert de masse.

V. Tendances de développement futures

1. Système intelligent de contrôle de l'oxygène dissous

En intégrant la technologie des capteurs, l'intelligence artificielle (IA) et l'analyse des mégadonnées, la stratégie d'approvisionnement en oxygène peut être surveillée et ajustée de manière entièrement automatique tout au long du processus.

2. Microréacteurs et réacteurs à membrane

L'utilisation de bioréacteurs à micro-échelle ou les réacteurs à membrane perméable aux gaz peuvent améliorer l'efficacité du transfert de masse et conviennent au criblage à haut débit et à la culture précise.

3. La biologie synthétique régule les mécanismes respiratoires

En modifiant les voies génétiques des micro-organismes, ils peuvent maintenir un métabolisme efficace même dans des environnements pauvres en oxygène, par exemple en introduisant des complexes de chaîne respiratoire efficaces ou des facteurs de régulation sensibles à l'oxygène.

Système de fermentation par bioréacteur MIKEBIO pour additifs alimentaires

Conclusion

L'apport d'oxygène lors de la fermentation biologique est un facteur clé de la croissance des micro-organismes et de la synthèse des produits. La conception rationnelle d'une stratégie et d'équipements d'oxygénation adaptés aux types de micro-organismes, au stade de fermentation et aux exigences du procédé influence non seulement le rendement et la qualité, mais constitue également la clé du succès de la fermentation industrielle. Grâce aux progrès constants du génie biologique et des méthodes de contrôle intelligentes, la régulation de l'apport d'oxygène sera plus précise et efficace, contribuant ainsi à l'essor d'une production plus verte et au développement de la bioéconomie.

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