La fermentation industrielle est un processus qui implique l’utilisation de micro-organismes pour produire divers produits à grande échelle. Ce procédé est utilisé depuis des siècles pour produire des boissons alcoolisées, du pain et des produits laitiers.
Avec les progrès de la technologie et de la science, la fermentation industrielle a évolué pour produire une large gamme de produits, notamment des additifs alimentaires et des boissons, des produits pharmaceutiques et des biocarburants.
Le processus de fermentation industrielle repose sur la capacité des micro-organismes à décomposer des matières organiques complexes en composés plus simples. Ces composés peuvent ensuite être utilisés comme matières premières pour produire une variété de produits.
La fermentation industrielle a généralement lieu dans des fermenteurs ou des bioréacteurs à grande échelle, qui fournissent un environnement contrôlé pour la croissance des micro-organismes.
Table des matières
1. La science derrière la fermentation industrielle
La science derrière la fermentation industrielle est basée sur une compréhension approfondie des processus biologiques impliqués.
La première étape de la fermentation industrielle est la sélection des microorganismes appropriés. Les micro-organismes utilisés dans la fermentation industrielle sont généralement des bactéries, des levures ou des champignons, et ils sont choisis en fonction de leur capacité à produire le produit souhaité.
Les micro-organismes doivent également pouvoir croître et se reproduire rapidement dans l’environnement contrôlé d’un bioréacteur ou d’un fermenteur.
Une fois que les micro-organismes appropriés ont été sélectionnés, l’étape suivante consiste à leur fournir les nutriments nécessaires pour soutenir leur croissance et leur métabolisme. Ces nutriments comprennent des sources de carbone, d’azote et d’autres minéraux essentiels.
Le milieu de croissance doit également être soigneusement contrôlé pour maintenir des conditions optimales pour la croissance des micro-organismes.
Au fur et à mesure que les micro-organismes se développent et se reproduisent, ils produisent divers métabolites, tels que des acides organiques, des alcools et des enzymes. Ces métabolites sont la clé de la production du produit désiré. Les voies métaboliques spécifiques impliquées dans la production du produit varient en fonction du micro-organisme et du produit fabriqué.
L’un des facteurs les plus critiques de la fermentation industrielle est le contrôle du processus de fermentation. Les conditions dans le fermenteur ou le bioréacteur doivent être soigneusement surveillées et contrôlées pour assurer une croissance et un métabolisme optimaux des micro-organismes. Cela implique de contrôler des facteurs tels que la température, le pH et la concentration en oxygène.
La science derrière la fermentation industrielle implique également une compréhension approfondie de la génétique des micro-organismes. Les techniques de génie génétique peuvent être utilisées pour modifier la composition génétique des micro-organismes afin d’améliorer leur capacité à produire des produits spécifiques.
Cette technologie a révolutionné la fermentation industrielle, permettant la production d’une large gamme de produits de grande valeur qui étaient auparavant difficiles ou impossibles à produire.
2. Différents types de micro-organismes utilisés dans la fermentation industrielle
Les micro-organismes jouent un rôle essentiel dans le processus de fermentation industrielle, décomposant les matières organiques complexes en composés plus simples qui peuvent être utilisés pour produire une large gamme de produits. Le type de micro-organisme utilisé dans la fermentation industrielle dépend du produit fabriqué.
2.1. Bactéries
Les bactéries sont couramment utilisées dans la production d’additifs alimentaires et de boissons tels que l’acide lactique, l’acide citrique et les enzymes. Ces micro-organismes sont sélectionnés pour leur capacité à produire efficacement le produit souhaité. Certaines des bactéries les plus couramment utilisées dans la fermentation industrielle comprennent Lactobacillus, Streptococcus et Bacillus.
Les bactéries sont des organismes unicellulaires qui peuvent être divisés en deux groupes : les archées et les eubactéries. Les eubactéries constituent le groupe le plus couramment utilisé dans l’industrie.
Les eubactéries peuvent être divisées en 12 sous-groupes, mais seuls deux de ces sous-groupes sont importants pour l’industrie : les protéobactéries et les eubactéries à Gram positif.
Les protéobactéries constituent un grand groupe de bactéries à Gram négatif qui comprend à la fois des bactéries photosynthétiques et non photosynthétiques. Quelques exemples de protéobactéries utilisées dans l’industrie comprennent E. coli, Pseudomonas et Streptomyces.
Les eubactéries à Gram positif peuvent être divisées en deux subdivisions principales. La première subdivision comprend les bactéries qui ont une faible teneur en paires de bases guanine (G) et cytosine (C) dans leur ADN. Des exemples de bactéries dans cette subdivision comprennent Bacillus, Staphylococcus et Lactobacillus. La deuxième subdivision comprend les bactéries qui ont une teneur élevée en paires de bases guanine (G) et cytosine (C) dans leur ADN. Des exemples de bactéries dans cette subdivision comprennent les actinomycètes et Mycobacterium.
La principale différence entre les bactéries Gram-négatives et Gram-positives réside dans la composition de leurs enveloppes cellulaires. Les bactéries à Gram négatif ont une paroi cellulaire relativement fine entourée d’une membrane externe. Les bactéries à Gram positif ont une paroi cellulaire plus épaisse qui n’est pas entourée de membrane externe.
2.2. Levure
La levure est un autre type de micro-organisme couramment utilisé dans la fermentation industrielle. La levure est utilisée dans la production de boissons alcoolisées telles que la bière et le vin. Il est également utilisé dans la production de pain et d’autres produits de boulangerie. Saccharomyces cerevisiae est la levure la plus utilisée en fermentation industrielle.
2.3. Champignons
Les champignons sont des micro-organismes eucaryotes qui peuvent être divisés en hyphes filamenteux (moisissures) et en champignons unicellulaires (levures). Les champignons filamenteux sont chimiohétérotrophes et non photosynthétiques. Ils sécrètent une grande variété d’enzymes hydrolytiques capables de dégrader différents polymères en molécules plus petites facilement absorbées et métabolisées.
Les levures sont des champignons unicellulaires hétérotrophes qui peuvent se développer en présence et en absence d’O2. Ils ne sont pas exigeants sur le plan nutritionnel et peuvent se multiplier dans une composition moyenne relativement simple.
Les champignons filamenteux et les levures sont utilisés dans les bioprocédés industriels à diverses fins, telles que :
- Production d’enzymes, d’antibiotiques, de vitamines et d’autres métabolites
- Fermentation des aliments et des boissons
- Biodégradation des polluants
Pour être adaptée à un usage industriel, une souche microbienne doit répondre à certains critères, tels que :
- Capacité à croître rapidement sur des substrats organiques peu coûteux
- Capacité à effectuer les transformations souhaitées avec un rendement élevé et un minimum de consommation d’énergie
- Stabilité génétique
- Production de produits faciles à extraire et à séparer
- Non pathogénicité
Souvent, les souches de type sauvage ne répondent pas à tous ces critères et doivent donc être génétiquement modifiées avant de pouvoir être utilisées dans des bioprocédés industriels.
Exemples de modifications génétiques pouvant être apportées pour améliorer les souches microbiennes à usage industriel :
- Surexpression de gènes codant pour des enzymes impliquées dans la voie souhaitée
- Perturbation des gènes qui codent pour les enzymes impliquées dans des voies concurrentes
- Introduction de gènes provenant d’autres organismes pour conférer de nouvelles capacités
La modification génétique a été utilisée pour créer des souches microbiennes capables de produire une grande variété de produits précieux, notamment des acides aminés (par exemple, L-valine, L-thréonine, L-lysine et L-arginine), des produits chimiques en vrac (par exemple, 1,4- butanediol, 1,4-diaminobutane, 1,5-diaminopentane, 1,3-propanediol, butanol, isobutanol et acide succinique) et des médicaments (par exemple, l’artémisinine).
2.4. Algues
Les algues sont un ajout relativement nouveau à la liste des micro-organismes utilisés dans la fermentation industrielle. Ils sont utilisés dans la production de biocarburants, dont le biodiesel et le bioéthanol. Les algues les plus couramment utilisées dans la fermentation industrielle sont la Chlorelle et la Spiruline.
2.5. Actinomycètes
Les actinomycètes sont un type de bactérie couramment utilisé dans la production d’antibiotiques. Ces micro-organismes sont sélectionnés pour leur capacité à produire le composé antibiotique recherché. Streptomyces est l’actinomycète le plus utilisé en fermentation industrielle.
2.6. Protozoaires
Les protozoaires sont un type d’organisme unicellulaire utilisé dans la production d’enzymes et d’autres bioproduits. Ces micro-organismes sont sélectionnés pour leur capacité à produire efficacement le produit souhaité. Trichomonas et Entamoeba sont parmi les protozoaires les plus couramment utilisés dans la fermentation industrielle.
3. Produits issus de la fermentation industrielle
La fermentation industrielle est un processus polyvalent qui peut être utilisé pour produire une large gamme de produits, notamment des additifs alimentaires et des boissons, des produits pharmaceutiques, des biocarburants et des produits chimiques industriels.
3.1. Boissons alcoolisées
Les boissons alcoolisées telles que la bière, le vin et les spiritueux sont parmi les produits les plus largement fabriqués à l’aide de la fermentation industrielle. Le processus implique l’utilisation de levure pour convertir les sucres en alcool, produisant une large gamme de saveurs et d’arômes.
3.2. Acides organiques
Les acides organiques tels que l’acide lactique, l’acide citrique et l’acide acétique sont couramment produits par fermentation industrielle. Ces acides sont utilisés dans une large gamme d’applications, y compris les additifs alimentaires et de boissons, les agents de nettoyage et les produits pharmaceutiques.
3.3. Enzymes
Les enzymes sont des protéines utilisées pour catalyser des réactions chimiques. La fermentation industrielle est utilisée pour produire une large gamme d’enzymes, notamment des protéases, des lipases et des amylases. Ces enzymes sont utilisées dans un large éventail d’applications, y compris la production d’aliments et de boissons, les détergents à lessive et les produits pharmaceutiques.
3.4. Antibiotiques
Les antibiotiques sont un type de médicament utilisé pour traiter les infections bactériennes. La fermentation industrielle est utilisée pour produire une large gamme d’antibiotiques, notamment la pénicilline, l’érythromycine et la streptomycine. Ces antibiotiques sont essentiels dans le traitement des infections bactériennes et ont sauvé d’innombrables vies.
3.5. Biocarburants
Les biocarburants tels que l’éthanol et le biodiesel sont produits par fermentation industrielle. Le processus implique l’utilisation de micro-organismes tels que la levure et les algues pour convertir les matières organiques en biocarburants, qui peuvent être utilisés pour alimenter les véhicules et les machines.
3.6. Produits chimiques industriels
Les produits chimiques industriels tels que le butanol, l’acide propionique et le méthanol sont produits par fermentation industrielle. Ces produits chimiques sont utilisés dans un large éventail d’applications, y compris la production de plastiques, de solvants et de produits pharmaceutiques.
4. Les avantages de la fermentation industrielle
La fermentation industrielle est un processus qui implique l’utilisation de micro-organismes pour convertir des matières organiques en produits utiles. Ce processus présente un certain nombre d’avantages, notamment une efficacité améliorée, une réduction des déchets et une durabilité accrue.
4.1. Efficacité améliorée
La fermentation industrielle est un processus très efficace qui permet la production de grandes quantités de produits en un temps relativement court. En effet, les micro-organismes peuvent convertir rapidement les matières organiques en produits utiles, souvent à un rythme beaucoup plus rapide que les procédés chimiques traditionnels.
4.2. Réduction des déchets
La fermentation industrielle est un procédé relativement peu polluant par rapport aux procédés chimiques traditionnels. En effet, le procédé utilise des matières organiques comme matière première, qui sont souvent facilement disponibles et renouvelables. De plus, de nombreux sous-produits de la fermentation industrielle peuvent être recyclés ou réutilisés, ce qui réduit encore les déchets.
4.3. Durabilité accrue
La fermentation industrielle est un processus durable qui a un impact beaucoup plus faible sur l’environnement que les processus chimiques traditionnels. En effet, le procédé utilise des matières organiques comme matière première, qui sont souvent renouvelables et biodégradables. De plus, le procédé produit moins d’émissions de gaz à effet de serre et nécessite moins d’énergie par rapport aux procédés chimiques traditionnels.
4.4. Polyvalence
La fermentation industrielle est un processus polyvalent qui peut être utilisé pour produire une large gamme de produits, notamment des additifs alimentaires et des boissons, des produits pharmaceutiques, des biocarburants et des produits chimiques industriels. Cette polyvalence permet une gamme variée d’applications, faisant de la fermentation industrielle un outil précieux dans de nombreuses industries.
4.5. Rentable
La fermentation industrielle peut être un processus rentable, en particulier pour la production de produits de grande valeur tels que les produits pharmaceutiques et les enzymes. En effet, le processus est très efficace et peut produire de grandes quantités de produits en un temps relativement court, ce qui réduit le coût unitaire.
5. Les défis de la fermentation industrielle
La fermentation industrielle est un processus très efficace et polyvalent qui présente de nombreux avantages. Cependant, comme tout processus de fabrication, il présente également un certain nombre de défis.
5.1. Contamination microbienne
L’un des défis les plus importants de la fermentation industrielle est le risque de contamination microbienne. La contamination peut se produire lorsque des micro-organismes indésirables tels que des bactéries ou des champignons entrent dans le processus de fermentation et entrent en concurrence avec les micro-organismes souhaités. Cela peut entraîner une efficacité réduite, une qualité de produit réduite et même un échec complet du processus de fermentation.
5.2. Contrôle de processus
Le maintien d’un contrôle strict sur le processus de fermentation est essentiel pour assurer une qualité et un rendement constants du produit. Cela peut être difficile car le processus de fermentation dépend fortement de facteurs environnementaux tels que la température, le pH et la disponibilité des nutriments. Tout écart par rapport aux conditions optimales peut entraîner une réduction de l’efficacité ou de la qualité du produit.
5.3. Scale-up
La mise à l’échelle du processus de fermentation de l’échelle du laboratoire à l’échelle industrielle peut être un défi de taille. Les différences d’équipement, de conditions environnementales et de disponibilité des nutriments peuvent entraîner des changements inattendus dans le processus de fermentation. Une planification et une optimisation minutieuses sont nécessaires pour assurer une mise à l’échelle réussie.
5.4. Execution en aval
Les produits de la fermentation industrielle nécessitent souvent un traitement en aval, comme la purification ou l’extraction, avant de pouvoir être utilisés. Cela peut être un processus complexe et coûteux, en particulier pour les produits de grande valeur tels que les produits pharmaceutiques.
5.5. Conformité réglementaire
La fermentation industrielle est soumise à un ensemble de réglementations et de normes, notamment pour les produits destinés à la consommation humaine. Le respect de ces réglementations peut être complexe et prendre du temps, nécessitant une documentation complète et des mesures de contrôle de la qualité.
Références:
- Introduction to Conventional Fermentation Processes. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9781119505822.ch1
- Industrial Fermentation: Principles, Processes, and Products. – https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-94-011-7691-0_24
- Industrial fermentation: its contribution to the bioeconomy and renewable chemistry
- On the future fermentation. – https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7888459/
- Microbial enzymes with special characteristics for biotechnological applications. – https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24970183/
- Engineering cellular metabolism. – https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.02.004
- Industrial enzymes: present status and future perspectives for India. – https://api.semanticscholar.org/CorpusID:22641169
- Anti-Contamination Strategies for Yeast Fermentations. – https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32085437/
