Biotech 2011 Chap1
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GÉNIE
FERMENTAIRE
S4_IAB3 / S4_GE2
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Modules S4IAB3 et S4GE2
Génie génétique (GE + IAB) Mr Bennasroune
Cours : 12h
TD : 6h TP : 8h
r am eau Cours : 4h TD : 2h
Génie fermentaire (GE + IAB) : moi Cours : GE : 12h IAB : 14h
TD : GE : 6h IAB : 8h TP : GE : 8h IAB : 20h
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Evaluation
génie fermentaire
1 note = 4 IE début de cours (4x5pts)
1 note IE fin de module (≈ fin mars, coef 2)
1 note (GE) / 3 notes (IAB) de TP
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Méthodes, particularités
synthèse de diverses disciplines
visée pratique
documentsprise de notes
bibliographie :
Biotechnologies, R. Scriban
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Génie fermentaire
Introduction
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Définition
BIO-
-TECHNOLOGIE
Utilisation d'éléments du vivant à
des fins d'applications industrielles,agricoles ou médicales
OCDE (1980) : mise en œuvre dematériel biologique pour uneproduction de biens et de services.
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Géniefermentaire
Micro-organismes
PlantesGénie
énéti ueOGM
Biotechnologies
Animaux
GénieenzymatiqueENZYMES
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Un peu d’histoire…
Pffouuu, labarbe… Je hais
l’histoire…
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Quelques milliers d’années plus
tôt…
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Fin XIXe : relation microorganismes /
fermentation
1861
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Première moitié XXe : premières
productions industriellesPremière guerre mondiale : glycérine
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Première moitié XXe : premières
productions industrielles
1928
Deuxième guerre mondiale : pénicilline
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Depuis 1973 : génie génétique
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Applications actuelles
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Applications environnementales : dépollution
Dépollution desols
Production de bio gaz parméthanisation de déchets
Dépollution des rejets gazeux (COV)
Dépollution des eaux
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Applications : productions
Médicaments : protéinesrecombinantes
Bioéthanol
Médicaments : antibiotiques
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Applications : productionAdditifs alimentaires
Enzymes : chymosine
Bioplastiques : PLA…
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Avantages du vivant
spécificité des réactions
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Avantages
diversité des réactions
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Avantages
conditions réactionnelles douces
auto entretien des cellules
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Inconvénients
complexité de mise en œuvre
rentabilitévariabilité
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Outils du génie fermentaire
microbiologie
dosages biochimiques et chimiquesautomatisme
modélisation mathématique
…
synthèse de divers champs de connaissances
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Etapes
obtenir le micro-organisme
• sélection• ‘création’ par modification ADN
Géniegénétique
• faisabilité
• rentabilité
mettre en œuvre à l ’échelle industrielleGéniefermentaire
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CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes
1. Objectifs
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Cinétiques…
Acquérir :
X S
temps
XS
Ptemps X S P
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calculer
comparer sélectionner
optimiser
XS
temps
P
dX/dt = f (t, T, pH, S…)
-dS/dt = f (t, X, S…)
dP/dt = f (t, X, S…)
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modéliser prévoir et contrôler
dN/dt = rN(1-N/Nmax)(1-Nmin /N)c
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Laboratoire
Industriel
Pilote
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CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes
1. Objectifs
2. Vue d’ensemble
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T, pH, pot redox…
X
S
P
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Notion de maintenance
‘’On ne se baigne jamais deux fois
dans le même fleuve’’ Héraclite
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Utilisation du substrat
S
P
Répartition m/P/X dépend : …
X
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Utilisation du substrat
SP
X
Yx/s = g de X formé / g de S consommé Yp/s = g de P formé / g de S consommé
m = g de S consommé / g de X
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CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes
1. Objectifs
2. Vue d’ensemble3. Cinétique de la biomasse
3.1 courbe de croissance
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LnX
LnX1
LnXo
LnX2
LnXf
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Milieu non renouvelé (batch)
d e c e l l u l e s
Croissancenon limitée
Au moins 1 paramètrelimitant...
Temps
L n
d u n o m b
r
Adaptationau milieu
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CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes
1. Objectifs
2. Vue d’ensemble3. Cinétique de la biomasse
3.1 courbe de croissance
3.2 paramètres de la croissance
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Vitesse de croissance
expression d’une vitesse :
quantité / unité de temps : km/h , pizzas/jour dX / dt = biomasse formée / h
’
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Vitesse spécifique de croissance
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Vitesse spécifique de croissance
exercice préparatoire ☺ :
Cinétique de la consommation de frites dans deux cabanes à frittesconcurrentes
emps conso conso v esse e v esse e
cabane 1 cabane 2 production production
11h00-14h00 120 kg 180 kg 40 kg/h 60 kg/h
Dans quelle cabane lesemployés fabriquent-ils leplus de frittes chacun ?
Lesquels je vais virer ???
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Vitesse spécifique de croissance
Temps
Vitessede
consocabane
1
Vitessede
consocabane
2
Nombred’emplo
yéscabane
1
Nombred’emplo
yéscabane
2
Prod.Par
employé
Cabane 1
Prodpar
employé
Cabane 2
Cas b 3 40kg/h 60kg/h 1 2 40 30Cas c 3 40kg/h 60kg/h 2 2 20 30
X dt
dX µ x
1.=
Vitesse spécifiquede croissance = µx
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Vitesse spécifique de croissance (µx)
croissance = réaction d’ordre 1
X µdt
dX r x x .==
D'où : X dt
dX µ x
1.= En h-1 ou mn-1
En fait : g de X / g de X / h
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X dt
dX
µ x
1
.=
Le X de 1/X = X moyen sur un dt petit
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X
Représentebien la
valeurmoyenne
Ne représentepas la valeur
moyenne
temps
Bien vérifier que X varie linéairement sur le dt choisit
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)ln(ln 12
t t
X X µ x
−
−=
en intégrant de t1 à t2
Temps
Ln X
Pente = µ
Ln X2
Ln X1
t1 t2
Méthode laplus simple etla plus fiablepour calculerµx.
Rel tion entre g et
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Relation entre g et µx
)ln(ln
2ln).(
12
12
X X t t g−
−
=
)(
)ln(ln
12
12
t t
X X µ x
−
−
=
x µg 2ln=
Exploitation des mesures
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Temps 0 1 2 3 4 5 6
Biomasse X 20 20 30 50 90 80 90
n , , , , , , ,
Tem s
Ln X
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Conseils importants
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Par le calcul
)ln(ln2ln).(
12
12
N N t t g−
−=
)ln(ln12
X X −
Graphiquement
)(12t t
x−
Paramètres de croissance à déterminer
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Paramètres de croissance à déterminer
durée phase de latence : lag
vitesse spécifique de croissance : µx
temps de génération : g
Eventuellement :
concentration initiale : Xo
concentration finale : Xmax
CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes
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CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes
1. Objectifs
2. Vue d’ensemble3. Cinétique de la biomasse
3.1 courbe de croissance
3.2 paramètres de la croissance
3.3 influence de la température
EFFET de la TEMPÉRATURE sur laCROISSANCE
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CROISSANCE
n c e
µ x
Optimale
Topt
Température
V i t e s
s e
d e
c r o i s s
Minimale
Tmin
Maximale
Tmax
En fonction T t
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En fonction Topt
cryophiles
psychrophiles
mésophilesthermophiles
hyperthermophiles
pH ou T°
µ x
CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes
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CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes
1. Objectifs
2. Vue d’ensemble3. Cinétique de la biomasse
3.1 courbe de croissance
3.2 paramètres de la croissance
3.3 influence de la température
3.4 influence du pH
EFFET du pH sur la CROISSANCE
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du p su a C O SS C
pH optimal
Gamme de pH
3 à 4 U pH
pHpHmaxpHmin
En fonction du pHopt
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En fonction du pHopt
alcalinophiles
neutrophilesacidophiles
pH ou T°
µ x
CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes
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C c ét ques c ob e es
1. Objectifs
2. Vue d’ensemble3. Cinétique de la biomasse
3.1 courbe de croissance
3.2 paramètres de la croissance
3.3 influence de la température
3.4 influence du pH
3.5 autres facteurs de variation
Autres facteurs
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composition nutritive du milieu
teneur en eau / P osmotique (= aw)Po2 / potentiel redox
densité de population )1( f X µX dt −=
CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes
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q
1. Objectifs
2. Vue d’ensemble3. Cinétique de la biomasse
4. Cinétique du substrat4.1 vitesse spécifique de consommation
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réaction d’ordre 1
X µdS
r ss .==
D'où : X dt
dS µ s
1
.= En h-1 ou mn-1
En fait : g de S / g de X / h
Détermination de µs
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µs
S X
X2
dSdSdS
dt
X = (X1+X2)/2
1
X dt
dS µ s
1.=
CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes
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1. Objectifs
2. Vue d’ensemble3. Cinétique de la biomasse
.
4.1 vitesse spécifique de consommation4.2 équation de Pirt
C’est pirtque tout !!!
Vitesse de consommation de S
BIOMASSE
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SUBSTRAT
BIOMASSE
MAINTENANCE
Vitesse de
consommation du S
=
Vitesse de
consommation du Spour faire
X
+
Vitesse de
consommation du Spour la
maintenance
+
Vitesse de
consommation du Spour faire
P
PRODUIT(S)
Equation de Pirt
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P
SP
X
S X
S µ
Y
m µ
Y X dt
dS µ .
'
1.
'
11.
/ /
++==
=
Y’ = rendement particulier / théorique ≠ Y
s
C6H12O6 2 CH3CH2OH + 2 CO2
180g 2x46 = 92g
Y’p/s = 92/180 = 0,511
CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes
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1. Objectifs
2. Vue d’ensemble3. Cinétique de la biomasse
.
4.1 vitesse spécifique de consommation4.2 équation de Pirt
4.3 influence de S sur x Leshhubstra
t…
Hips…
Ch’esttrè bon,ouaip !
Loi de Monod2max x x
S µ µ
++
=
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µxmax
) / (
2
I K SSKs++
Inhibition par le substrat
SKs
S µ µ x x
+
= max
µxmax /2
Ki
Intérêt de Ks
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espèce A : Ks = 1 mM ; µxmax = 0,5 h-1
espèce B : Ks = 0,1mM ; µxmax = 0,5 h-1
si S = 0,5 mM : …si S = 10 mM : …
CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes
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1. Objectifs
2. Vue d’ensemble3. Cinétique de la biomasse
.
5. Cinétique du produit5.1 vitesse spécifique de production
5 en 4 ans,faudrait queça cesse !
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p X dt
dP
µ
1
.=
Détermination : comme pour µs
µ p = g de P formés par h et par g de biomasse
CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes
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1. Objectifs
2. Vue d’ensemble3. Cinétique de la biomasse
.
5. Cinétique du produit5.1 vitesse spécifique de consommation
5.2 association avec la croissance
Association avec la croissance
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En réacteur fermé : 3 cas
X
temps
P X X P µY dt
dP. / =
Associé à la croissance
= métabolite primaireex : éthanol (levures)
.X
X
temps
P
X dt
dP. β =
Non associé à lacroissance = métabolitesecondaire
ex : antibiotiques
X
temps
P X µ
dt
dP X .. β α +=Association mixte .X+β.X
CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes
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1. Objectifs
2. Vue d’ensemble3. Cinétique de la biomasse
.
5. Cinétique du produit5.1 vitesse spécifique de consommation
5.2 association avec la croissance
5.3 inhibition de la croissance par les produits
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I K
K
SK
S µ µ
I
I
S ++
= .maxP
exemples : éthanol (levures), acétate (E. coli )
CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes
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1. Objectifs
2. Vue d’ensemble
3. Cinétique de la biomasse
.
5. Cinétique du produit6. Productivité
Calcul de la productivité en biomasse
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Productivité volumique horaire = (Xf - Xo) / duréetotale
X (g/L) g de X / L / h
Durée totale du process = V : vidange ; N : nettoyage ; R :
remplissage ; S : stérilisation ; culture
Temps
(h)
Xo
Xf
0 V, N, R, S tculture
ensemencement
Calcul de la productivité en produit
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Productivité volumique horaire = (Pf - Po) / duréetotale
P (g/L) g de P / L / h
Durée totale du process = V : vidange ; N : nettoyage ; R :
remplissage ; S : stérilisation ; culture
Temps
(h)
Po
Pf
0 V, N, R, S tculture
ensemencement
Productivité horaire totale
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productivité horaire totale = ….
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CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes
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1. Objectifs
2. Vue d’ensemble
3. Cinétique de la biomasse
.
5. Cinétique du produit6. Productivité
7. ‘Modes’ de culture7.1 discontinu = batch
Batch
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milieu
inoculum
Vf
Xo, So, Po
Vf
Xo, So, Po
culture
Vf
Xo Xf
So Sf (0 en général)
Po Pf
Vf
Xf, Sf, Pf
CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes
8/7/2019 Biotech 2011 Chap1
http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 90/117
1. Objectifs
2. Vue d’ensemble
3. Cinétique de la biomasse
.
5. Cinétique du produit6. Productivité
7. ‘Modes’ de culture7.1 discontinu = batch
7.2 discontinu alimenté = fed-batch
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Alimentation en S
débi
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débit constant
palier
V
Temps
V
variation continue du
débit (en fonction de X parex.)
Temps
V
Temps
Influence du débit d’alimentation sur X
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Intérêts du fed-batch
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évite inhibition par S
diminue latence meilleure productivité
permet changements de composition
CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes
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1. Objectifs
2. Vue d’ensemble
3. Cinétique de la biomasse
4. Cinétique du substrat
5. Cinétique du produit
6. Productivité
7. ‘Modes’ de culture7.1 discontinu = batch
7.2 discontinu alimenté = fed-batch
7.3 continu
continu
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milieu
inoculum
Vf
Xo, So, Po
Vf
Xo, So, Po
culture en batch
Vf
Xo X
So S (0 en général)
Po P
Vf
X, S, P
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alimentation + soutirage : V constant
Vf
X, S, P
Mode
batch Mode continu
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V constant = même débit entrée et sortie
Débit d’entrée F (l/h) Débit de sortie F (l/h)
Vf
X, S, P
So X, S (≈0), P
Temps de séjour = V / F
Taux de dilution D = F / V
Jusqu’à...
P d i l
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Contamination
Production voulue
Problème technique : colmatage...
Dérive de la souchemicrobienne
Avantages
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productivité élevée
pas d’inhibition S ou P
CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes
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1. Objectifs
2. Vue d’ensemble
3. Cinétique de la biomasse
4. Cinétique du substrat
5. Cinétique du produit
6. Productivité
7. ‘Modes’ de culture7.1 discontinu = batch
7.2 discontinu alimenté = fed-batch7.3 continu
7.4 comparaison
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Batch Fed batch Continu
PompePompe de soutirage
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Pomped’alimentation Pompe
d’alimentation
ou surverse
FED BATCH
Ploc !
CONTINU CSTR
Plic !
BATCH FED-BATCH CONTINU
P simple
- productivité > batch
- pas de problèmed'inhibition par le S
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P
O
U
R
-simple
- souple d'utilisation
- peu de problème
d'inhibition par le P
p
- contrôle possible du
métabolisme par variation
du S en cours
d'alimentation
- reste assez simple et
souple
- productivité très élevée
- fonctionne en continu
- peu d’inhibition S/P
CONTRE- productivité faible
- inhibition possible par le S
- inhibition possible par les
P
- r sques e con am na on ou
de dérive de la souche
- complexe à mettre en œuvre
U
T
I
L
IS
A
T
I
O
N
S
TY
P
E
S
- petites productions
- process lents
(fermentations alimentaires,
biodégradation sur plusieurs
jours…)
- précultures pour
bioréacteur industriel
- S solides (dépollution des
sols…)
- tout type de productionindustrielle
- traitement d'un S en continu
(STEP…)
- manipulation de grosvolumes à traiter ou à
produire)
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Vue d’ensemble / cas général
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Mesures in situ (sicapteurs)
Prélèvementet/ou
Mesure de S etP sur le
surnageant
CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes
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1. Objectifs
2. Vue d’ensemble
3. Cinétique de la biomasse
.
5. Cinétique du produit6. Productivité
7. ‘Modes’ de culture
8. Méthodes de mesure de X, S et P8.1 Mesure de la biomasse
Mesure du trouble
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absorbance à 500-650 nm• zone de linéarité étroite
• rapide
• eu coûteux
sonde turbidimétrique (capteur)• linéarité plus étendue
• pas de prélèvement à faire
• enregistrement en continu
Mesure directe de la biomasse
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microscopie (cellules eucaryotes)
ufcmatière sèche
• prélever V mL
• collecter les micro-organismes (filtration, centri)• laver le culot
• sécher → masse constante
Mesure d’une activité
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consommation d’O2 (capteur)
production de CO2 (capteur)
CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes
1 Obj tif
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1. Objectifs
2. Vue d’ensemble
3. Cinétique de la biomasse
.
5. Cinétique du produit6. Productivité
7. ‘Modes’ de culture
8. Méthodes de mesure de X, S et P8.1 Mesure de la biomasse
8.2 Mesure de S et P