Apport aux productions microbiennes du systeme bi-etage en bioreacteur a membrane

Impacts des hautes densités cellulaires : vers des bioprocédés performants

A.S. Aldiguier, S. Alfenore, X. Cameleyre, C. Bideaux, S.E. Guillouet,
J.L. Uribelarrea, G. Goma, C.Molina-Jouve^*,

*E_mail: [e-mail] tel:[phone] fax:[phone]
Laboratoire de Biotechnologies-Bioprocédés, UMR CNRS 5504, UR INRA 792, INSA, 135 avenue de Rangueil, 31077 Toulouse, France

Les procédés de production microbienne sont le siège de réactions autocatalytiques (croissance microbienne) et catalytiques (réactions de production) couplées à des phénomènes de transfert de matière, de chaleur et de transport. L’intensification des performances des bioprocédés nécessite donc l’obtention de hautes concentrations en bio-catalyseur ( micro-organisme), la maîtrise du comportement microbien et l’identification des phénomènes physico-chimiques limitant. Bien que la communauté scientifique s’accorde sur la pertinence des bioréacteurs à hautes densités cellulaires, les travaux de recherche au delà de 100 g/l restent en nombre restreint compte tenu de la lourdeur des expérimentations.

Nos travaux ont pour ambition d’enrichir par de nouvelles approches une stratégie rationnelle d’évaluation du potentiel réel des micro-organismes en concentration élevée comprise entre 50 g/l et 300 g/l. Nous proposons l’étude et l’analyse des phénomènes (biologie, séparation, transferts) dont la connaissance, la quantification et la prise en compte simultanée apparaissent indispensables en vue du développement des procédés à hautes densités cellulaires. Il s’agit de quantifier pour comprendre les phénomènes qui interviennent au sein d’un bioréacteur bi-étagé avec recyclage cellulaire, en régime continu permanent, à des concentrations en biomasse croissante, dans un environnement parfaitement maîtrisé et caractérisé. La démarche expérimentale est à trois niveaux d’observation (macroscopique, microscopique et moléculaire).

Le modèle d’étude est la levure Saccharomyces cerevisiae, un des micro-organismes le plus répandu dans l’industrie (vinification, panification, activité brassicole…) et dans les travaux académiques. L’outil d’étude que nous avons développé est un bioréacteur bi-étagé avec recyclage cellulaire par une boucle externe d’ultrafiltration avec recirculation de la biomasse entre les deux étages.

Nous présenterons les résultats expérimentaux obtenus pour des concentrations en biomasse de 50g/l ; 100 g/l, 150 g/l et 200 g/l en l’absence d’inhibition par l’éthanol et de limitations nutritionnelles. Les analyses montrent des modifications, en fonction de la concentration en biomasse, du comportement

• 
  macrocinétique de la levure (vitesses spécifiques, rendements,)
  
• 
  physiologique de la levure (viabilité, composition CHON, eau intracellulaire, morphologie, métabolites intracellulaires) et
  
• 
  physico-chimique du milieu (concentrations en substrat et métabolites extracellulaires viscosité du milieu de culture).
  

En plus des phénomènes traditionnellement mentionnés dans la littérature, nos travaux nous ont permis l’observation de situations peu évoquées dans la littérature. En particulier, les fortes productions de CO₂, couplées par la stœchiométrie aux réactions microbiennes, perturbent considérablement les phénomènes physiques et biologiques.

Les retombées de ces travaux concernent aussi bien la maîtrise des performances des systèmes microbiens intensifs que la formulation de critères pertinents pour l’extrapolation et la recherche de solutions technologiques innovantes.

Mots clès : Bioprocédé, Intensification, Procédé continu, Fermentation

Secteurs d’application : Energie