Différences entre fermentation solide et fermentation liquide et exigences du fermenteur
La fermentation est une technologie fondamentale du génie biologique, largement utilisée dans les secteurs de l'agroalimentaire, de la pharmacie, de l'agriculture, de la protection de l'environnement et autres. Selon l'état du milieu de fermentation, on distingue principalement la fermentation en milieu solide et la fermentation en milieu liquide. Ces deux méthodes présentent des différences significatives en termes de caractéristiques, d'applications et d'équipements requis. Cet article commencera par comparer la fermentation en milieu solide et la fermentation en milieu liquide, puis abordera leurs exigences respectives. fermenteurs.
La différence entre la fermentation solide et la fermentation liquide
1. État du milieu
Fermentation solide : Le milieu est solide ou semi-solide, généralement composé de substrats naturels tels que des céréales, de la paille, du son, etc., avec une faible teneur en eau (généralement entre 30 % et 70 %). Les micro-organismes se développent sur les surfaces solides pour former des mycéliums ou des biofilms.
Fermentation liquide : Le milieu est liquide, généralement composé d'eau, de nutriments et d'oxygène dissous, avec une teneur en eau proche de 100 %. Les micro-organismes sont dispersés uniformément dans le liquide et mélangés par agitation ou aération.
2. Environnement de croissance microbienne
Fermentation en milieu solide : Les micro-organismes se développent sur des surfaces solides pour former des réseaux complexes de mycélium. Le transfert d'oxygène et de nutriments dépendant principalement de la diffusion, il existe un gradient dans le milieu de croissance des micro-organismes (concentration en oxygène, pH, etc.).
Fermentation liquide : Les micro-organismes sont répartis uniformément dans le liquide, l'oxygène et les nutriments sont répartis uniformément grâce à l'agitation et à la ventilation, et l'environnement de croissance est relativement uniforme.
3. Caractéristiques du processus
Fermentation en milieu solide :
- L’équipement est simple et le coût d’investissement est faible.
- Faible consommation d’énergie, convient aux petites surfaces ou aux zones aux ressources limitées.
- La concentration du produit est élevée et le post-traitement est relativement simple.
- Mais l’efficacité du transfert de masse et de chaleur est faible, et le contrôle du processus est difficile.
Fermentation liquide :
- L’équipement est complexe et le coût d’investissement est élevé.
- Haute efficacité de transfert de masse et de chaleur, adaptée à la production industrielle à grande échelle.
- Contrôle précis des processus et automatisation facile.
- Cependant, la consommation d’énergie est plus élevée, la concentration du produit est plus faible et le post-traitement est complexe.
4. Domaine d'application
Fermentation en milieu solide :
- Aliments traditionnels : tels que la sauce soja, le vinaigre, les haricots noirs, le tofu fermenté, etc.
- Agriculture : par exemple, la fermentation des aliments pour animaux, la production d’engrais organiques.
- Les biocarburants, comme la production d’éthanol cellulosique.
Fermentation liquide :
- Pharmaceutique : par exemple, la production d’antibiotiques, de vaccins, de préparations enzymatiques.
- Aliments : tels que la bière, le yaourt, la production d'acides aminés.
- Biocarburants : tels que la production d'éthanol et de butanol.
Projet de système de fermentation MIKEBIO 300T
Exigences relatives aux fermenteurs pour la fermentation solide et liquide
En raison des différences entre la fermentation solide et la fermentation liquide en termes d'état du milieu, d'environnement de croissance microbienne et de caractéristiques du processus, des exigences différentes sont formulées quant à la conception et au fonctionnement des fermenteurs.
1. Exigences relatives aux fermenteurs pour la fermentation en milieu solide
Le fermenteur à l'état solide doit s'adapter aux caractéristiques du milieu solide pour assurer la croissance uniforme des micro-organismes sur la surface solide, tout en résolvant le problème du transfert de masse et de chaleur.
(1) Conception structurelle
- Fermenteur peu profond : Adapté à la production à petite échelle, le milieu est réparti en fines couches pour faciliter la diffusion de l'oxygène et la dissipation de la chaleur.
- Fermenteurs profonds : Adaptés à la production de masse, généralement équipés d'unités d'agitation ou d'unités rotatives pour améliorer l'efficacité du transfert de masse et de chaleur.
- Fermenteur à plateaux : Le milieu de culture est placé dans un plateau multicouche pour l'apport d'oxygène et le contrôle de la température grâce à la circulation de l'air.
(2) Contrôle de la ventilation et de l'humidité
La fermentation en milieu solide nécessite un apport suffisant en oxygène ; les fermenteurs sont donc souvent équipés de systèmes de ventilation qui fournissent de l'oxygène par ventilation forcée ou naturelle.
En raison de la faible teneur en eau du milieu solide, le fermenteur doit être équipé d'un système de contrôle de l'humidité afin d'éviter que le milieu ne soit trop sec ou trop humide.
(3) Contrôle de la température
Lors de la fermentation en milieu solide, la chaleur générée par le métabolisme microbien se dissipe difficilement et peut facilement entraîner une surchauffe locale. C'est pourquoi les fermenteurs doivent être équipés de systèmes de régulation thermique efficaces, tels que le refroidissement par double enveloppe, les serpentins de refroidissement internes ou le refroidissement par ventilation.
(4) Remuer et mélanger
Afin d'améliorer l'efficacité du transfert de masse, certains fermenteurs à l'état solide sont équipés de dispositifs d'agitation ou de rotation, de sorte que le milieu soit exposé uniformément à l'oxygène et aux micro-organismes.
Le dispositif de mélange doit être conçu de manière à éviter d'endommager la structure du mycélium microbien et est généralement agité à faible vitesse ou par intermittence.
(5) Stérilisation et nettoyage
La stérilisation des fermenteurs solides utilise généralement de la vapeur à haute température ou des désinfectants chimiques, mais en raison de la complexité du milieu solide, la stérilisation est plus difficile.
Lors du nettoyage, il est nécessaire d'éliminer soigneusement les résidus solides afin d'éviter toute contamination.
2. Exigences de fermentation liquide pour les fermenteurs
Les fermenteurs liquides doivent être adaptés aux caractéristiques des milieux liquides, afin de garantir que les micro-organismes se développent dans un environnement uniforme tout en assurant un transfert de masse et de chaleur efficace.
(1) Conception structurelle
- Fermenteurs agités : Le type de fermenteur liquide le plus courant, le mélange et le transfert de masse sont réalisés par agitation mécanique.
- Fermenteur à air comprimé : Circulation du liquide par injection de gaz, adapté aux micro-organismes sensibles au cisaillement.
- Bioréacteur à membrane : combiné à la technologie de séparation membranaire, convient à la culture à haute densité et à la fermentation continue.
(2) Contrôle de la ventilation et de l'oxygène dissous
La fermentation liquide nécessite un apport suffisant en oxygène, et les fermenteurs sont souvent équipés de systèmes de ventilation, tels que des barboteurs ou des éjecteurs, pour augmenter les niveaux d'oxygène dissous.
Les capteurs d'oxygène dissous et les systèmes de contrôle sont les composants essentiels des fermenteurs liquides pour surveiller et réguler en temps réel les concentrations d'oxygène dissous.
(3) Contrôle de la température
Les fermenteurs liquides sont généralement équipés d'une double enveloppe ou d'un serpentin interne permettant un contrôle précis de la température grâce à la circulation d'eau de refroidissement ou d'un fluide caloporteur.
Les fermenteurs à grande échelle doivent également tenir compte de la répartition uniforme de la chaleur afin d'éviter une surchauffe locale ou excessive.
(4) Remuer et mélanger
Le système d'agitation est un élément clé du fermenteur liquide, utilisant généralement des agitateurs à turbine, à palettes ou à spirale pour obtenir un mélange et un transfert de masse efficaces.
La vitesse d'agitation doit être ajustée en fonction des caractéristiques des micro-organismes et des exigences du procédé, afin d'éviter une force de cisaillement excessive susceptible d'endommager les micro-organismes.
(5) Stérilisation et nettoyage
Les fermenteurs liquides sont généralement stérilisés à la vapeur à haute température (comme les systèmes CIP) pour garantir la stérilité de la cuve et des tuyaux.
Lors du nettoyage, utilisez de l'eau à haute pression ou un agent nettoyant pour éliminer complètement les résidus liquides et les biofilms.
(6) Contrôle automatique
Les fermenteurs liquides sont généralement équipés de systèmes de contrôle automatisés avancés permettant la surveillance et le réglage en temps réel de la température, du pH, de l'oxygène dissous, de la vitesse d'agitation et d'autres paramètres.
Les capacités d'enregistrement et d'analyse des données contribuent à optimiser les processus de fermentation et à accroître l'efficacité de la production.
Système de bioréacteur MIKEBIO pour la nutrition des plantes
En résumé
Il existe des différences significatives entre la fermentation en milieu solide et la fermentation en milieu liquide, notamment en termes de nature du milieu, d'environnement de croissance microbienne, de caractéristiques du procédé et de domaines d'application. De ce fait, la conception et le fonctionnement des fermenteurs nécessitent des exigences différentes. Les fermenteurs en milieu solide doivent pallier les problèmes de faible efficacité de transfert de masse et de chaleur et sont généralement équipés de systèmes de ventilation, de régulation de la température et d'agitation. Les fermenteurs en milieu liquide, quant à eux, privilégient un mélange efficace, un transfert de masse optimal et un contrôle automatisé ; ils sont généralement équipés de systèmes d'agitation, de ventilation et de systèmes de surveillance et de contrôle avancés.
Avec le développement continu des biotechnologies, les technologies de fermentation en milieu solide et en milieu liquide évoluent vers une efficacité accrue, des économies d'énergie et une conception plus intelligente. À l'avenir, la conception des fermenteurs privilégiera l'optimisation des procédés et l'utilisation des ressources, contribuant ainsi fortement au développement durable de l'industrie biopharmaceutique.
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