Novembre 1996 - n°12

Les Fermenteurs

Un fermenteur, encore appelé "bioréacteur" est une enceinte généralement en verre ou en inox dans laquelle on procède à la culture de micro-organismes ou de cellules. Le but de ces cultures peut ètre:
- de produire en quantité tels micro-organismes ou telle souche cellulaire (on parle de "biomasse"), parce qu'ils présentent en eux-mêmes un intérèt, par exemple production de levures pour l'industrie viticole.
- de produire et récupérer en quantité un métabolite que ces micro-organismes ou ces cellules contiennent ou relarguent dans le milieu, par exemple production d'hormones à partir de micro-organismes modifiés génétiquement.
- d'utiliser les micro-organismes pour modifier un milieu (bio-transformation), par exemple dans le cas de valorisation de déchets agricoles.

Composition d'un fermenteur
Le fermenteur comprend en général:
- I'enceinte de culture, encore appelée cuve ou réacteur.
Son volume peut aller de quelques litres (fermenteurs de laboratoire pour recherches, enseignement, petites cultures...) jusqu'à plusieurs mètres cubes dans le cas d'unités industrielles. Des appareils de tailles intermédiaires appelés pilotes permettent de valider les résultats du laboratoire à une échelle préindustrielle. Pour agiter et aérer le milieu de culture, la cuve est dotée d'un système d'agitation (moteur externe, arbre et turbines intérieurs à la cuve).
- I'electronique de commande. Il est en effet essentiel de maintenir dans le réacteur des conditions de culture optimales, spécifiques pour les cellules ou les micro-organismes considérés.
Un fermenteur est donc équipé d'un certain nombre de capteurs physico-chimiques pour mesurer par exemp!e:
- la température (du milieu de culture)
- la vitesse d'agitation
- Le pH
- Le taux d'oxygène dissous
- Le potentiel RedOx
- la nature et les débits de gaz à l'entrée et/ou en sortie de réacteur, etc....

Ces capteurs transmettent les données mesurées à l'unité de commande. Le plus souvent, celle-ci comporte pour le paramètre étudié une électronique de régulation, c'est-à-dire un système "intelligent" qui va agir pour maintenir la variable à une valeur prédéfinie ou "consigne".

Exemple: le régulateur de température est programmé par l'opérateur pour imposer une température de culture de 37°c +/- 0,5°C. Une température mesurée de 33 °C déclenchera une action de chauffage du milieu. Une mesure à 38°C provoquera la circulation d'eau de refroidissement.

Les "agents de régulation" qui sont ainsi déclenchés par les régulateurs pour corriger des écarts par rapport aux consignes fixées sont appélés "actionneurs" (ex: baffle chauffante, pompe d'injection de base pour correction pH...).
Le schéma ci-dessus fait état d'un niveau supplémentaire possible de Supervision du bioréacteur par l'informatique. Cette tendance à l'introduction des P.C. pour la commande de bioréacteurs est aujourd'hui sensible.

"Autoclavables" ou "stérilisables in situ"
Pour réaliser la culture des cellules ou des micro-organismes choisis, et seulement la culture de ceux-ci, il faut, avant d'introduire l'inoculum, stériliser complétement le bioréacteur. Dans le cas de petits appareils (de 2 à 10 litres en général), on prépare la cuve, puis on stérilise cette dernière dans un autoclave à 120 °C. Ces petits fermenteurs sont donc souvent appelés "Autoclavables". A l'inverse, dès les tailles supérieures, les réacteurs sont stérilisés sur place, avant culture, par circulation de vapeur. Ils sont dits "Stérilisables in Situ". Certaines unités sophistiquées sont dotées de séquences automatiques de stérilisation.
Quelle que soit la taille du bioréacteur, c'est cette contrainte de stérilisation avant culture, puis de maintien de conditions "stériles" vis à vis de l'extérieur pendant les cultures, qui rend particulièrement complexes la conception et la fabrication de ces matériels.

QUELQUES APPLICATIONS EXPLOITÉES DE LA BIOTECHNOLOGIE
Agro-alimentaire: Produits laitiers (crème, beurre, fromage...), Produits carnés (saucisson, mortadelle, conservation de carcasses...), Produits alcoolisés (vin, bière, champagne, alcools...) Panification (pain, patisserie...), Vinaigrerie, Saumurage, Tapioca (détoxification de la racine de manioc...), Choucroute, Sauces (Nuoc-man...), Arômes, Vitamines, Acides organiques (lactique, citrique...), Agents de texture, plastifiants, gélifiants (polysaccharides...), colorants (algues)
Agriculture : Ensilage (conservation), Mycorhization (stimulation de la croissance des plantes), Biopesticides (destruction d'insectes prédateurs), Alimentation animale (acides aminés), Cultures de méristèmes (semences artificielles), Micropropagation (clones)
Santé: Antibiotiques, Vaccins, Anticorps (diagnostic, thérapeutique), Alcalol'des, Culture de tissus (soins aux brûlés), Thérapie génique, Divers (insuline, hormone, interféron, facteurs de croissance...)
Chimie fine: Enzymes, Tannage, Alcools industriels, Solvants, Biocarburants, Bases cosmétologie
Environnement: Dépollution (marées noires), Traitement des eaux usées, Biodégradation, Energie (méthanisation), Raffinage des métaux (lixivation).

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