Composants importants et précautions à prendre dans un système de fermentation biologique

Introduction

La fermentation biologique est largement utilisée dans les secteurs pharmaceutique, agroalimentaire, bioénergétique, environnemental et autres. Son principe repose sur l'utilisation de micro-organismes ou de cellules, cultivés dans des conditions rigoureusement contrôlées, pour leur croissance, leur métabolisme et la synthèse de produits. Un système de fermentation efficace et stable nécessite la synergie de plusieurs composants clés afin de garantir un environnement de culture optimal et, in fine, un rendement élevé et un produit cible de haute qualité. Cet article présente les principaux composants d'un système de fermentation biologique et aborde les points essentiels à prendre en compte lors de son fonctionnement.

Les éléments importants du système de fermentation biologique

1. Fermenteur (Bioréacteur)

Fermenteur est l'équipement de base de système de fermentation biologiquequi offre un environnement de croissance adapté aux micro-organismes ou aux cellules. Selon les besoins d'application, les fermenteurs peuvent être classés comme suit :

•  fermenteur en acier inoxydable: utilisé pour la production industrielle à grande échelle, avec une résistance à la corrosion, facile à nettoyer, autoclavable et autres caractéristiques.
•  fermenteur en verre: convient à la recherche en laboratoire et à la phase pilote, facilite l'observation du processus de fermentation.
•  Bioréacteur à usage unique (SUB) : des sacs de culture en plastique jetables sont utilisés pour réduire la contamination croisée et améliorer la flexibilité de la production.
• • Fermenteurs à lit fixe ou à lit fluidisé : adaptés aux applications de culture de cellules adhérentes ou à haute densité telles que la production de vaccins et la thérapie cellulaire.
• Le contrôle des paramètres clés : température, pH, oxygène dissous (OD), vitesse d'agitation, ventilation, etc., la régulation précise de ces paramètres est essentielle pour optimiser la croissance des micro-organismes ou des cellules.

Système de fermentation MIKEBIO 100T pour biofertilisant

2. Système de mélange et de ventilation

Dans le processus de fermentation, les micro-organismes ou les cellules ont besoin d'une quantité suffisante d'oxygène et d'un milieu de culture uniforme, et la conception du système d'agitation et de ventilation détermine l'efficacité du transfert d'oxygène et l'effet de mélange.

• • Système de mélange : composé d'une palette de mélange, d'un palier, d'une garniture mécanique, etc. Les types courants de palettes de mélange comprennent la palette turbine, la palette de propulsion, la palette d'ancrage, etc. Différents types de palettes conviennent à différents types de fermentation.
• Système de ventilation : comprenant un compresseur d’air, un système de mélange de gaz, un aérateur microporeux, etc., afin d’assurer une oxygénation efficace du milieu de culture. Pour la fermentation anaérobie, le système doit fournir un environnement conditionné à l’azote ou au dioxyde de carbone.
• • Contrôle du débit de gaz : Le contrôleur de débit massique (MFC) régule avec précision le débit de gaz pour améliorer l'efficacité de la fermentation.

3. Système de contrôle de la température

La plage de température optimale de croissance des micro-organismes et des cellules se situe généralement entre 25 et 37 °C, et les fluctuations de température affectent le taux métabolique et la synthèse des produits ; un système de contrôle de température de haute précision est donc nécessaire.

•  Méthode de chauffage : Les fermenteurs industriels sont généralement chauffés à la vapeur ou à l'eau chaude, les petits fermenteurs de laboratoire peuvent utiliser un système de chauffage électrique.
•  Méthode de refroidissement : système de circulation d'eau ou de liquide de refroidissement pour éviter une température excessive causée par la production de chaleur métabolique des cellules.

4. Système de contrôle du pH et de l'oxygène dissous (OD)

Le pH et la concentration en oxygène dissous sont des facteurs importants qui affectent la croissance des micro-organismes ou des cellules.

• • Contrôle du pH : Le pH est généralement ajusté automatiquement à l'aide d'acides (tels que HCl) et de bases (tels que NaOH) pour maintenir un environnement de culture stable.
• • Contrôle de l'oxygène dissous : Le niveau d'oxygène dissous est maintenu par ajustement de la vitesse d'agitation, modifications de la ventilation, supplémentation en oxygène pur, etc. Certaines cultures à haute densité peuvent également utiliser des transporteurs d'oxygène (tels que des composés perfluorés) pour améliorer l'efficacité du transfert d'oxygène.

1. Système de nutrition et d'alimentation

La croissance microbienne ou cellulaire dépend du milieu de culture approprié, et le contrôle précis de la composition de ce milieu influe directement sur le rendement et la qualité du produit.

•  Milieu de base : contient généralement des sources de carbone (glucose, glycérine, etc.), des sources d'azote (peptone, extrait de levure, acides aminés, etc.), des sels inorganiques, des facteurs de croissance, etc.
• • Stratégie d’alimentation : Les méthodes courantes comprennent la fermentation discontinue, la fermentation en mode semi-continu et la culture en perfusion. Différentes stratégies conviennent à différents procédés de fermentation biologique.
• • Surveillance en ligne : Utilisation de capteurs pour détecter la consommation de média, ajustement automatique du débit d'alimentation, amélioration de l'efficacité de la production.

6. Capteurs et systèmes de contrôle automatique

Les systèmes modernes de fermentation biologique s'appuient sur une technologie de contrôle automatisée pour la surveillance et la régulation en temps réel afin d'améliorer la stabilité et la reproductibilité.

•  Capteurs clés : capteur de température, électrode de pH, électrode à oxygène dissous, capteur de CO₂, capteur de surveillance en ligne du glucose/acide lactique, etc.
•  Système de contrôle automatique : collecte de données en temps réel via PLC (automate programmable) ou DCS (système de contrôle distribué), ajustement automatique des paramètres, pour parvenir à une gestion intelligente.

Précautions pour les systèmes de fermentation biologique

1. Contrôle aseptique et stérilisation

Dans le processus de fermentation biologique, la pollution est l'un des plus grands risques qui affectent la stabilité de la production.

 Stérilisation des équipements : un système SIP (stérilisation en place) ou CIP (nettoyage en place) est adopté pour garantir l’état stérile des équipements.

• Filtration de l'air : Utilisez un filtre stérile de 0,2 µm à l'entrée d'air pour empêcher les micro-organismes contaminants de pénétrer dans le fermenteur.

 Gestion de l’opérateur : L’opérateur doit suivre strictement les procédures d’opération aseptiques et effectuer une surveillance environnementale régulière et une désinfection des mains.

2. Optimisation des paramètres de fermentation

Les conditions de croissance des différents micro-organismes ou lignées cellulaires étant différentes, les paramètres de fermentation doivent être optimisés pour augmenter le rendement.

 Optimiser l’oxygène dissous, le pH et le débit d’alimentation pour augmenter le rendement des produits cibles.

 Choisir le milieu approprié pour réduire l’accumulation de sous-produits métaboliques et améliorer la survie cellulaire.

3. Maintenance et étalonnage des équipements

 Calibrer régulièrement le capteur pour garantir la précision des données de température, de pH, d'oxygène dissous et autres.

• Vérifier les systèmes de mélange, les joints et les filtres pour éviter toute panne ou contamination due au vieillissement.

4. Récolte et purification du produit

• Arrêter la fermentation en temps opportun pour éviter une surculture entraînant la dégradation des produits cibles ou l’augmentation des sous-produits.

• Utiliser des techniques de séparation et de purification appropriées (par exemple, centrifugation, filtration, ultrafiltration, chromatographie, etc.) pour améliorer la pureté du produit.

Système de bioréacteur MIKEBIO 200-300L pour la nutrition des plantes

Conclusion

Les systèmes de fermentation biologique constituent un outil essentiel en biotechnologie moderne et en production industrielle. Leur bon fonctionnement repose sur la collaboration de plusieurs composants clés, notamment les fermenteurs, les systèmes d'agitation et de ventilation, le contrôle de la température, du pH et de l'oxygène dissous, l'apport en nutriments et la régulation automatisée. Parallèlement, l'environnement aseptique doit être rigoureusement contrôlé durant la fermentation biologique, les paramètres du procédé doivent être optimisés et les équipements entretenus afin de garantir la stabilité et la haute efficacité de la production. Le développement de la biotechnologie, associé à des technologies de production intelligentes, automatisées et performantes, favorisera l'essor des systèmes de fermentation biologique dans les secteurs de la médecine, de l'agroalimentaire, de la protection de l'environnement et autres.

En revanche, lors du choix d'un fermenteur de bioréacteurIl est donc nécessaire de trouver un fabricant régulier, réputé et solide, afin de garantir la qualité du produit. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd., fondée en 2008, est une entreprise de haute technologie spécialisée dans la recherche, le développement, la production et la vente d'équipements de fermentation biologique. Notre société dispose d'une plateforme de fermentation pilote, intégrant intelligence et automatisation, et a mis en place un système de fermentation performant permettant l'optimisation du processus de fermentation pilote, la mise en service et le développement de l'ensemble des étapes, de la production pilote à la séparation et la purification du produit de fermentation, ainsi que la mise en place d'un poste de travail dédié et d'un laboratoire moderne.

Notre entreprise dispose d'une usine de production standardisée, dotée de l'ensemble des équipements et outils nécessaires à l'installation, comprenant principalement une variété de machines-outils, une machine de soudage automatique à l'arc sous argon, une polisseuse automatique, une machine de découpe automatique et une machine de détection des défauts, ainsi que plus de 60 autres équipements de production et de test. Le processus de production est entièrement conforme aux normes modernes, afin d'offrir aux clients une qualité et un support technique plus professionnels.