1. Bilan carbone
Carbone dans le milieu de culture = Carbone dans les cellules bactériennes + Carbone dans les produits + Carbone dans le CO₂ expulsé.
Le carbone est la principale source d'énergie pour la croissance cellulaire et la synthèse des produits, ce qui rend cruciale l'estimation précise des émissions de CO₂. Actuellement, les analyseurs de gaz d'échappement sont couramment utilisés pour la mesure ; cependant, il est important de noter que les méthodes actuelles de refroidissement et de déshydratation des gaz d'échappement introduisent des erreurs significatives, car la forte solubilité du CO₂ dans l'eau peut conduire à une sous-estimation des émissions. En l'absence d'un tel instrument, l'expérience suggère que la teneur totale en carbone du milieu de culture (aliment inclus) est environ 2,3 à 2,6 fois supérieure à la teneur en carbone des cellules et des produits, ou 10 à 15 fois supérieure à la teneur totale en azote du milieu de culture (aliment inclus).
2. Équilibre de l'azote, du phosphore et du soufre
N, P, S dans le milieu de culture = N, P, S dans les cellules bactériennes + N, P, S dans les produits + N, P, S restant dans le milieu de culture.
Ces éléments sont essentiels à la structure cellulaire, aux enzymes et aux métabolites, et leur équilibre influe directement sur la croissance bactérienne et l'efficacité de la synthèse. L'azote, le phosphore et le soufre sont tous présents en excès dans le milieu de culture, et l'optimisation ultérieure repose principalement sur une vérification expérimentale.
Pour assurer un fonctionnement efficace et stable du processus de fermentation, le bilan matière seul ne suffit pas ; les trois bilans clés suivants doivent être atteints dans le processus dynamique.
1. Équilibre entre le taux de consommation d'oxygène et le taux d'apport d'oxygène
L'oxygène est un facteur crucial de la fermentation aérobie. Les micro-organismes consomment de l'oxygène lors de leur croissance et de leur métabolisme ; un apport insuffisant en oxygène entraîne une limitation de la croissance microbienne et une réduction de l'efficacité de la synthèse du produit.
Comment atteindre l'équilibre: En surveillant en temps réel les variations de l'oxygène dissous (OD), le taux d'agitation, le taux d'aération ou la pression du réservoir peuvent être ajustés pour garantir que le taux d'apport d'oxygène réponde aux besoins de consommation d'oxygène des bactéries.
Importance de l'optimisation:Le maintien d'un niveau d'oxygène dissous approprié peut prévenir l'inhibition par l'hypoxie et éviter qu'un apport excessif d'oxygène n'entraîne un gaspillage d'énergie ou des dommages oxydatifs aux cellules.
2. Équilibre entre le taux de dilution et le taux de croissance
En fermentation en mode fed-batch, le débit (taux de dilution) du milieu de culture frais doit être adapté au taux de croissance spécifique des cellules. Le taux de dilution correspond ici au rapport entre le débit du milieu de culture frais introduit dans le fermenteur et le volume de milieu de culture présent dans le fermenteur, que ce soit en fermentation continue ou en mode fed-batch.
Comment atteindre l'équilibre:En utilisant une surveillance en ligne de la biomasse ou des paramètres indirects (tels que le point d'inflexion du pH et de l'oxygène dissous), le taux de dilution critique peut être déterminé pour maintenir les cellules au taux de croissance spécifique optimal.
Importance de l'optimisation:Pour éviter que les bactéries ne se développent trop rapidement, ce qui pourrait entraîner un épuisement des nutriments ou une accumulation de sous-produits métaboliques, il est également nécessaire d'empêcher le réacteur de croître trop lentement, ce qui pourrait entraîner une faible efficacité.
3. Équilibre entre le taux d'accélération du flux de matrice et le taux de consommation de matrice
L'ajout de nutriments (tels que des sources de carbone et d'azote) doit correspondre précisément au taux de consommation réel des bactéries ; sinon, il y aura un excès ou une carence de substrat.
Comment atteindre l'équilibre:Ce procédé se divise principalement en deux phases. Lors de la phase de recherche, nous utilisons des méthodes sophistiquées, complexes et coûteuses pour déterminer le point d'équilibre optimal. Cela implique un ajustement dynamique de la stratégie d'alimentation par la surveillance en temps réel des concentrations résiduelles de la matrice (telles que les ions glucose et ammonium) ou par l'utilisation de techniques de détection douce.
Lors de la phase de production, nous utilisons des méthodes simples, robustes et fiables pour reproduire le point d'équilibre optimal déterminé lors de la phase de recherche. Cela comprend l'utilisation des points d'inflexion du pH et de l'oxygène dissous, et l'ajustement du débit d'alimentation en fonction des niveaux d'oxygène dissous correspondants.