Biotech 2011 Chap1

117
GÉNIE FERMENTAIRE S4_IAB3 / S4_GE2

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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

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

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

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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 

SK 

S µ µ

 I 

 I 

S ++

= .maxP

exemples : éthanol (levures), acétate (E. coli )

CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes

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http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 83/117

1. Objectifs

2. Vue d’ensemble

3. Cinétique de la biomasse

 .

5. Cinétique du produit6. Productivité

Calcul de la productivité en biomasse

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 84/117

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

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 85/117

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

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 86/117

productivité horaire totale = ….

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 87/117

CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 88/117

1. Objectifs

2. Vue d’ensemble

3. Cinétique de la biomasse

 .

5. Cinétique du produit6. Productivité

7. ‘Modes’ de culture7.1 discontinu = batch

Batch

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 89/117

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

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 91/117

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 92/117

Alimentation en S

débi

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 93/117

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

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 94/117

Intérêts du fed-batch

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 95/117

évite inhibition par S

diminue latence meilleure productivité

permet changements de composition

CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 96/117

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

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 97/117

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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http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 98/117

alimentation + soutirage : V constant

Vf

X, S, P

Mode

batch Mode continu

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 99/117

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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http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 100/117

Contamination

Production voulue

Problème technique : colmatage...

Dérive de la souchemicrobienne

Avantages

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 101/117

productivité élevée

pas d’inhibition S ou P

CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 102/117

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

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 103/117

Batch Fed batch Continu

PompePompe de soutirage

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 104/117

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

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 105/117

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)

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 106/117

Vue d’ensemble / cas général

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 107/117

Mesures in situ (sicapteurs)

Prélèvementet/ou

 

Mesure de S etP sur le

surnageant

CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 108/117

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

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 109/117

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 

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 110/117

microscopie (cellules eucaryotes)

ufcmatière sèche

 • prélever V mL

• collecter les micro-organismes (filtration, centri)• laver le culot

• sécher → masse constante

Mesure d’une activité

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 111/117

consommation d’O2 (capteur)

production de CO2 (capteur)

CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes

1 Obj tif

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 112/117

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

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

http://slidepdf.com/reader/full/biotech-2011-chap1 113/117

Fin

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

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8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

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8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

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Comparer

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

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