Effets des souches communes et caractéristiques de la fermentation biologique et différences entre les souches sur la conception des fermenteurs

La fermentation biologique, technologie qui allie bio-ingénierie moderne et procédés industriels traditionnels, utilise des micro-organismes comme « usines ». Grâce au contrôle de conditions de culture spécifiques, leur métabolisme produit les composés souhaités. Au cœur du processus de fermentation, les souches et leurs caractéristiques influencent directement l'efficacité de la fermentation, ainsi que les types et la qualité des produits. Cet article présente plusieurs souches de fermentation biologique courantes et leurs principales caractéristiques.

I. Souches de fermentation biologique courantes et leurs principales caractéristiques

1. Bactéries lactiques

1.1 Types courants :

• Lactococcus lactis
• Streptococcus thermophilus
• Lactobacillus plantarum
• Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus

1.2 Fonctionnalités et applications :

Les bactéries lactiques sont des bactéries Gram-positives qui produisent de l'acide lactique comme principal métabolite et sont largement utilisées dans l'alimentation, la médecine, les produits de santé et d'autres domaines. Elles sont généralement peu exigeantes sur le plan environnemental, peuvent se développer dans un milieu pauvre en oxygène et à faible pH, et présentent une bonne résistance à l'acidité ainsi que des effets bénéfiques sur la santé.

Exemples d'application :

• Production de yaourts, de cornichons et de produits à base de soja fermentés
• Probiotiques intestinaux
• production industrielle de fermentation d'acide lactique

2. Levure (Levure)

2.1 Types courants :

• Saccharomyces cerevisiae
• Hachis parmentier
• Hansenula polymorpha

2.2 Fonctionnalités et applications :

La levure est un champignon unicellulaire doté d'une forte capacité de métabolisme du glucose. Elle peut métaboliser l'éthanol, le dioxyde de carbone et divers acides organiques en conditions aérobies ou hypoxiques. La levure est largement utilisée dans la fermentation alcoolique, la boulangerie, la production de glutamate monosodique, les systèmes d'expression protéique, etc.

Exemples d'application :

• Brasserie de bière, de vin et de spiritueux
• production de bioéthanol
• Expression de protéines recombinantes (par exemple, antigène vaccinal, insuline)

Système de fermentation MIKEBIO pour la production de champignons comestibles

3, Bacillus subtilis

3.1 Caractéristiques :

Bacillus subtilis est une bactérie aérobie Gram-positive capable de former des spores présentant une forte résistance au stress. Ses métabolites comprennent des protéases, des amylases, divers antibiotiques et des substances tensioactives, largement utilisés dans la production de préparations enzymatiques industrielles, d'additifs pour l'alimentation animale et de pesticides biologiques.

Caractéristiques avantageuses :

• Forte capacité sécrétoire, adaptée à l'expression de protéines étrangères
• Forte résistance au stress, peut pousser dans des conditions de forte salinité et de température élevée.
• Cycle de fermentation court, rendement de production élevé

Exemples d'application :

• Fermentation de préparations enzymatiques (par exemple, protéase, amylase)
• Produits à base de haricots fermentés (natto)
• Agent de lutte biologique, agent de promotion de la croissance

4. E. coli (Escherichia coli)

4.1 Caractéristiques :

Escherichia coli est un pathogène opportuniste, mais elle présente un grand intérêt en biologie moléculaire. Grâce à la structure claire de son génome, à sa manipulation génétique aisée et à son cycle de croissance court, elle figure parmi les bactéries génétiquement modifiées les plus utilisées en laboratoire et dans l'industrie.

Caractéristiques avantageuses :

• Croissance rapide, cycle de fermentation court
• Système d'expression génique exogène mature (tel que le système pET)
• Il peut être utilisé pour l'expression de diverses protéines recombinantes, enzymes et vaccins.

Exemples d'application :

• Production de protéines recombinantes (insuline, vaccins)
• Fermentation des acides aminés (par exemple, lysine, valine)
• plateforme de recherche en biologie synthétique

5. Streptomyces spp.

5.1 Types courants :

• Streptomyces griseus
• Bacille lichen (Streptomyces coelicolor)

5.2 Caractéristiques :

Les Streptomyces forment un groupe de bactéries filamenteuses Gram-positives qui sont d'importants producteurs d'antibiotiques dans la nature. Leur vaste génome, doté de diverses voies métaboliques secondaires, se prête au développement d'antibiotiques, d'immunosuppresseurs et de médicaments antitumoraux.

Exemples d'application :

• Production de streptomycine, d'oxytétracycline, d'érythromycine et d'autres antibiotiques
• Développement de métabolites secondaires tels que les enzymes industrielles et les pigments naturels
• Recherche sur le criblage de nouveaux médicaments et l'extraction de produits naturels

6. Actinomycètes

Les genres Actinomyces et Streptomyces appartiennent à la classe des actinomycètes. Certaines souches présentent une forte capacité de production de médicaments et une grande adaptabilité environnementale, ce qui en fait des ressources importantes pour la recherche et le développement de produits naturels. Certains actinomycètes sont également utilisés en fermentation industrielle, notamment pour la production de glutamate monosodique et d'acide citrique.

7. Souches fongiques

7.1 Types courants :

• Aspergillus niger, Aspergillus oryzae
• Penicillium chrysogenum
• Champignons terrestres (Rhizopus spp.)

7.2 Fonctionnalités et applications :

Les champignons jouent un rôle important dans la production d'enzymes, la fermentation des acides organiques et la production d'antibiotiques. Les souches d'Aspergillus peuvent produire de l'acide citrique et de la glucose oxydase à grande échelle, et Penicillium est utilisé dans la production industrielle de pénicilline.

Exemples d'application :

• Fermentation de l'acide citrique, de l'acide malique et de l'acide lactique
• Production d'antibiotiques pénicilline et céphalosporine
• Tofu moisi, vin de riz Qu et autres aliments fermentés traditionnels

8. Autres souches spéciales

8.1 Pseudomonas spp.

Elle possède une voie métabolique puissante, peut dégrader divers polluants organiques et est utilisée pour la bioremédiation environnementale, le traitement de l'eau, etc.

8.2 Sphingomonas spp.

Caractérisée par une dégradation efficace des polluants organiques et la production de polysaccharides, elle est largement utilisée dans les domaines de la protection de l'environnement et de l'industrie pharmaceutique.

8.3 Autres espèces de Bacillus (par exemple, Bacillus lipothermophilus)

Résistant aux hautes températures, convient à la fermentation à haute température, au prétraitement des aliments pour animaux et à d'autres applications.

Système de fermentation MIKEBIO pour la production de probiotiques

II. Influence de différentes souches sur la conception du fermenteur

1. Le type de contrainte détermine les paramètres de conception du noyau

Type de souche	points clés de la conception d'un fermenteur	Considérations clés
Bactéries aérobies (E. coli)	Ventilation améliorée + agitation efficace	Le taux de transfert de masse d'oxygène est essentiel ; contrôle de la mousse à la demande
Bactéries anaérobies (par exemple, bactéries lactiques)	Bonne étanchéité + contrôle de la pression du gaz	L'oxygène doit être isolé ; contrôle du CO₂ et des autres métabolites gazeux
Bactéries microaérobies (par exemple, bactéries acétiques)	Contrôle précis de l'apport en oxygène	Un apport excessif ou insuffisant d'oxygène peut inhiber le métabolisme
Champignons/Levures	Haute viscosité + anti-cisaillement	Le liquide contenu dans le réservoir est épais et doit être remué délicatement pour éviter d'endommager le mycélium.
Bactéries filamenteuses (par exemple Streptomyces)	Mur anti-cisaillement et antiadhésif	Formation bactérienne facile, transfert de masse médiocre, conception spéciale de l'hélice présentant des avantages
Cellules animales/cellules d'insectes	Remuer très doucement	Bioréacteur à air comprimé ou à vagues, facilement endommageable et couramment utilisé
Cellule végétale	Suspension difficile + croissance lente	Nécessite des matériaux de support spéciaux et un mélange lent

2. Principaux paramètres influents

• Besoins en oxygène dissous (OD)

Bactéries aérobies telles qu'Escherichia coli, levures : nécessitent un taux de ventilation élevé + une agitation à grande vitesse ;

Les bactéries anaérobies telles que les bactéries lactiques et les bacilles anaérobies nécessitent un environnement sans oxygène ; l'étanchéité du réservoir et la conception des émissions de CO₂ sont donc très importantes.

• sensibilité au cisaillement

Par exemple, les champignons, les cellules animales, les cellules végétales : ne peuvent pas être agités avec une hélice à grande vitesse, nécessitent une hélice à faible cisaillement (courroie spirale, levage d'air, etc.).

• Contrôle de la mousse

Certaines bactéries telles que les levures, les actinomycètes, la production de mousse est importante ; le réservoir doit être équipé d'une sonde à mousse et d'un système anti-mousse (mécanique/ajout d'un antimousse).

• Viscosité et rhéologie

Les bactéries filamenteuses ou les métabolites visqueux (tels que les polysaccharides et les colloïdes) entraîneront une viscosité élevée du système, et il est nécessaire de renforcer la structure de la rame et de concevoir un transfert de chaleur raisonnable.

3. Exemples de fermenteur variables de conception

Article	Influence des différentes souches sur la conception
Mode de ventilation	Aération de surface/Aération en profondeur/Microbulles/Aération sous pression (à adapter aux besoins en oxygène de la souche)
structure de la palette d'agitateur	pagaie Rushton (coupe haute)/pagaie à ruban/pagaie à cadre (coupe basse)
système de contrôle de la température	Les bactéries à métabolisme rapide nécessitent une enveloppe de refroidissement efficace ; les bactéries thermosensibles requièrent une précision de température constante de ±0,1 °C.
système de contrôle du pH	Certaines bactéries acidogènes (comme les bactéries lactiques) nécessitent un système tampon de pH puissant ; un port d'ajout de soude caustique doit être configuré.
Surveillance automatique	Les capteurs d'oxygène dissous, de pH, de température, de mousse et de pression définissent des seuils en fonction du comportement de la contrainte.

Système de fermentation de type production MIKEBIO pour l'aloxulose

Conclusion:

Le choix de la souche est essentiel à la réussite du génie de la fermentation. Différentes souches conviennent à différents objectifs de production et paramètres de procédé. Grâce aux progrès du génie génétique et de la biologie synthétique, les souches microbiennes sont constamment modifiées et optimisées afin d'obtenir des rendements plus élevés, moins de sous-produits et des procédés de production plus stables.

À l'avenir, la technologie de fermentation biologique sera largement utilisée dans les domaines de la production écologique, de la sécurité alimentaire, de la médecine et de la santé, et deviendra la force motrice de la construction d'« usines sans déchets » et d'une « bioéconomie ».

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.

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