Que faire si le faible rendement est dû à un apport insuffisant de gaz pendant le processus de fermentation biologique
Introduction
La fermentation biologique est un procédé important qui utilise des micro-organismes dans la production industrielle et est largement employée dans de nombreux domaines tels que la médecine, l'agroalimentaire, le génie chimique et l'énergie. Lors de la fermentation, l'apport de gaz (notamment d'oxygène et d'autres gaz essentiels comme l'hydrogène et le dioxyde de carbone) est crucial pour le métabolisme normal des micro-organismes, la prolifération cellulaire et la synthèse des produits cibles. Un apport insuffisant de gaz peut entraîner, au mieux, une baisse de rendement et, au pire, la mort des bactéries et l'échec de la fermentation. Par conséquent, la résolution du problème d'un apport insuffisant de gaz pendant la fermentation constitue une technologie essentielle pour garantir la stabilité du procédé et un rendement élevé.
I. Le rôle des gaz dans la fermentation
1. Oxygène (O₂)
Lors de la fermentation aérobie, l'oxygène est un accepteur d'électrons indispensable au métabolisme microbien. Un apport insuffisant en oxygène entraînera :
- Les micro-organismes pénètrent dans la voie métabolique anaérobie, et les sous-produits tels que la production d'acide et la production de gaz augmentent ;
- Un apport énergétique insuffisant entraîne une diminution du taux de croissance cellulaire ;
- La voie de synthèse du produit est désordonnée, ce qui entraîne une réduction, voire une incapacité, à synthétiser le produit cible.
2. Dioxyde de carbone (CO₂)
Lors de la fermentation de certaines bactéries photosynthétiques ou de certains micro-organismes autotrophes, le dioxyde de carbone constitue l'une de leurs sources de carbone. Un apport insuffisant en CO₂ limite leur capacité de fixation du carbone et affecte leur croissance.
3. L'hydrogène (H₂) et autres gaz spéciaux
Certains micro-organismes anaérobies ou à métabolisme particulier, comme les méthanogènes, nécessitent de l'hydrogène ou d'autres gaz réducteurs pour leur métabolisme. Un approvisionnement instable en gaz influe directement sur le taux de production de gaz et l'efficacité de conversion.
II. Analyse des causes de l'insuffisance d'approvisionnement en gaz
1. Le transfert de masse est limité
Le gaz pénètre dans la phase liquide à partir de la phase gazeuse, puis de la phase liquide à l'intérieur de la cellule, et est affecté par la résistance au transfert de masse multicouche :
- Faible solubilité : Par exemple, la solubilité de l'oxygène dans l'eau est intrinsèquement faible ;
- Agitation insuffisante : lors de la conception du cuve de fermentation, la conception inadaptée des pales d'agitation empêche la dispersion complète des bulles, réduisant ainsi la surface de contact gaz-liquide.
- Viscosité élevée : certains liquides de fermentation ont une viscosité élevée, ce qui n’est pas propice à la diffusion des gaz ;
- Mousse excessive : La mousse excessive affecte la surface de contact où le gaz pénètre dans le liquide.
2. Le système de ventilation est mal conçu.
- La conception de l'orifice de ventilation est déraisonnable ;
- Pompe à air ou volume d'air comprimé insuffisants ;
- Le distributeur de gaz est obstrué ou vétuste ;
- Il y a une fuite d'air ou une pression instable dans la canalisation.
3. Stratégie de contrôle inadéquate
Le débit de ventilation n'était pas ajusté en temps réel ;
Le système de contrôle de la fermentation n'est pas lié à la sonde à oxygène dissous.
Négligez l'augmentation de la demande en oxygène aux stades intermédiaires et tardifs de la fermentation.
III. Impact d'un apport insuffisant de gaz sur le rendement de fermentation
Lorsque l'apport en gaz ne suffit pas à satisfaire les besoins métaboliques des micro-organismes, les conséquences suivantes se produisent :
- La production du produit cible diminue : Prenons l’exemple de la fermentation des acides aminés ; un manque d’oxygène limitera la vitesse de synthèse et entraînera une baisse rapide du rendement.
- Augmentation des sous-produits : Des sous-produits métaboliques tels que l'acide lactique et l'éthanol sont produits, ce qui affecte la pureté.
- Mort ou stagnation bactérienne : dans les cas graves, les micro-organismes deviennent inactifs et la fermentation est interrompue.
- Cycle de fermentation prolongé : cela entraîne une diminution du rendement par unité de temps et une augmentation des coûts de production.
IV. Stratégies de réponse et plans d'optimisation
- Améliorer l'efficacité de la dissolution des gaz
- Augmenter la vitesse d'agitation : améliorer la circulation du liquide, augmenter la vitesse d'éclatement des bulles et améliorer l'efficacité du contact gaz-liquide ;
- Utilisez des têtes d'aération microporeuses ou des aérateurs à vortex : améliorez le raffinement des bulles et augmentez la surface d'interface gaz-liquide ;
- Ajouter des tensioactifs : tels que le polyéthylène glycol (PEG), etc., pour améliorer la diffusion des gaz ;
- Augmenter la pression du réservoir de fermentation (fermentation sous pression) : La pressurisation peut améliorer la solubilité du gaz dans la phase liquide, mais une évaluation de sécurité est nécessaire ;
- Utilisation d'oxygène pur au lieu d'air : cela peut augmenter considérablement le niveau d'apport d'oxygène dans la fermentation aérobie à haut rendement, mais le coût est relativement élevé.
2. Optimiser la conception du système de ventilation
- Inspectez régulièrement les canalisations et le système de distribution de gaz afin d'éviter les obstructions et les fuites de gaz ;
- La ventilation multipoints améliore l'uniformité de la distribution des gaz ;
- Le système de contrôle automatique de la ventilation (par exemple, lorsqu'il est relié à la sonde d'oxygène dissous DO) régule le débit de gaz ;
- Mettre en place une source de gaz de secours afin d'éviter que des dysfonctionnements temporaires n'affectent le processus de fermentation.
3. Optimiser les paramètres du processus de fermentation
- Ajuster les vitesses de ventilation et d'agitation par étapes : les besoins en oxygène varient selon les différentes étapes de la fermentation et doivent être ajustés de manière dynamique.
- Abaisser le niveau de liquide : abaisser de manière appropriée le niveau du liquide de fermentation et augmenter l’espace en phase gazeuse, ce qui favorise la dissolution de l’oxygène.
- Ajustement de la stratégie d'alimentation : réduire le taux d'alimentation des substrats à métabolisme rapide afin d'éviter une consommation excessive d'oxygène sur une courte période ;
- Modélisation et prédiction à l'aide de bioréacteurs : La simulation et l'optimisation ont été réalisées sur la base du taux de consommation d'oxygène microbien (OUR) et du taux d'apport d'oxygène (OTR).
4. Modification par ingénierie des souches microbiennes
- Sélectionner ou créer des souches plus tolérantes à l'hypoxie ;
- Modifier la voie métabolique pour permettre aux bactéries de maintenir des rendements élevés même dans des conditions hypoxiques ;
- Exprimer des protéines de transport d'électrons hétérologues à haut rendement pour améliorer l'efficacité métabolique.
V. Analyse de cas : Optimisation de l'apport d'oxygène dans la fermentation de l'acide glutamique
Lors de la production d'acide glutamique, Corynebacterium glutamicum a des besoins en oxygène extrêmement élevés. La production d'une usine a chuté significativement en milieu et en fin de fermentation. Après inspection, il s'est avéré que le taux d'oxygène dissous restait constamment inférieur à 10 %. Suite à la mise en œuvre des mesures suivantes, la production a augmenté de 15 % :
- Augmentez la vitesse d'agitation de 350 tr/min à 600 tr/min ;
- Ajouter des plaques d'aération microporeuses pour améliorer l'efficacité de la dispersion des bulles ;
- Ajouter une faible concentration d'éther de polyoxyéthylène à moyen terme pour améliorer l'interface gaz-liquide ;
- Le volume de ventilation est ajusté en temps réel grâce au système de contrôle PID.
VI. Résumé
L'insuffisance d'apport en gaz est un problème courant et important en fermentation biologique. En analysant systématiquement ses causes et en adoptant des stratégies d'optimisation ciblées, il est possible d'améliorer efficacement l'environnement métabolique des micro-organismes et d'accroître ainsi l'efficacité de la fermentation et le rendement du produit.
Système de biofermenteur triphasé MIKEBIO pour la recherche biologique
Avec le développement des biotechnologies, on s'appuiera à l'avenir sur des capteurs plus intelligents, la modélisation des procédés et des systèmes de contrôle optimisés par l'IA pour une gestion précise de l'approvisionnement en gaz. De plus, de nouveaux dispositifs de fermentation, des réacteurs à membrane à bulles, des supports de transport d'oxygène, etc., devraient également améliorer l'efficacité de l'approvisionnement en oxygène, donnant ainsi un nouvel élan à l'intelligence et au haut rendement de la fermentation industrielle.
En revanche, lors du choix d'un bioréacteur fermenteurIl 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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