La technologie de fermentation microbienne trouve de nombreuses applications, et la culture de pré-ensemencement constitue une étape préliminaire cruciale qui influe directement sur l'efficacité et le rendement de la fermentation. Le milieu de culture, la température, l'âge et la taille de l'inoculum, l'aération et l'agitation, ainsi que l'équilibre entre l'oxygène dissous et la DBO sont autant de facteurs essentiels qui déterminent la qualité de la culture de pré-ensemencement. Cet article décrit les mécanismes d'action et les points de contrôle clés de ces facteurs, offrant ainsi une référence pour optimiser les procédés de culture de pré-ensemencement et améliorer l'efficacité de la fermentation.
Les milieux de culture sont essentiels à l'acquisition des nutriments et influencent directement la croissance, la reproduction, l'activité enzymatique et le rendement des micro-organismes. On peut les classer en quatre catégories : nutriments de base pour la croissance (C/N), sels minéraux pour le contrôle de la pression osmotique, oligo-éléments et systèmes de régulation du pH et de l'activité enzymatique.
Le milieu de culture des semences constitue l'environnement de base pour la croissance et la reproduction des semences, fournissant aux micro-organismes les nutriments nécessaires, les sources d'énergie et les conditions physico-chimiques appropriées.
Tout d'abord, un apport suffisant et équilibré en nutriments est essentiel à la vigueur et à la quantité des semences. Par exemple, les sources de carbone constituent la base énergétique de la croissance microbienne, tandis que les sources d'azote sont des composants importants de la matière cellulaire. Un apport insuffisant de carbone ou d'azote inhibera la croissance des semences et ne permettra pas d'atteindre la quantité et la qualité escomptées.
Les sels minéraux présents dans le milieu de culture, tels que le phosphore, le soufre, le magnésium et le potassium, jouent un rôle indispensable dans le maintien de l'équilibre de la pression osmotique, de l'activité enzymatique et de l'intégrité structurale cellulaire. Par exemple, le phosphore participe à la synthèse des acides nucléiques et des phospholipides. Une carence en phosphore entrave la réplication du matériel génétique et la formation de la membrane cellulaire, affectant ainsi la croissance et la reproduction des graines.
La pureté et la teneur en impuretés des matières premières utilisées dans la fabrication des milieux de culture peuvent influencer la croissance des micro-organismes. Si ces matières premières contiennent des substances toxiques ou des inhibiteurs, elles peuvent avoir un effet néfaste sur la germination et même entraîner la mort des semences.
A. Le milieu de culture final du bac d'ensemencement doit être identique à celui du bac de production. À ce stade, le système enzymatique nécessaire à la fermentation étant déjà établi dans le bac précédent, il n'est pas nécessaire de le reconstituer dans les nouvelles conditions environnementales.
B. La proportion de source d'azote dans le milieu de culture du réservoir de semences doit être augmentée, et l'augmentation de la proportion d'azote inorganique doit être plus importante.
C. Après la mise à niveau de la souche, en raison des différences d'équipement (type de réservoir, méthode d'agitation, vitesse, etc.), le ratio du milieu de culture doit être réajusté en fonction de l'expérience.
En biologie, la température est un facteur environnemental essentiel à la croissance microbienne, influençant considérablement son taux de croissance et son métabolisme. Généralement, pour chaque augmentation de 10 °C, le taux de croissance des micro-organismes double, principalement parce que la température agit directement sur le système enzymatique métabolique intracellulaire.
Les enzymes sont des protéines qui catalysent les réactions chimiques chez les organismes vivants. La croissance et le métabolisme des micro-organismes sont presque entièrement assurés par les enzymes. La vitesse de réaction des enzymes est fortement influencée par la température ; il existe une plage de température optimale au sein de laquelle l'activité enzymatique est maximale et la croissance et le métabolisme des micro-organismes sont également les plus rapides.
Lorsque la température est inférieure à la température optimale, l'activité des enzymes diminue et le taux de croissance des micro-organismes ralentit ; lorsque la température est supérieure à la température optimale, les enzymes peuvent perdre leur activité en raison de la dénaturation, ce qui entraîne une inhibition de la croissance, voire la mort des micro-organismes.
L'état d'oxygène dissous du système de fermentation est déterminé par le débit d'aération, la pression de la cuve et les conditions d'agitation. Les cellules souches ne peuvent se développer normalement que si la teneur en oxygène dissous (OD) du milieu de fermentation est supérieure à la demande biochimique en oxygène (DBO) du système. Après le repiquage, les cellules entrent rapidement en phase de croissance exponentielle, avec une augmentation exponentielle des taux de division et de reproduction. Durant cette phase, le débit d'aération et la puissance d'agitation sont généralement ajustés alternativement afin de maintenir le niveau d'oxygène dissous nécessaire à la croissance cellulaire. Si ces ajustements sont insuffisants pour couvrir la consommation d'oxygène des cellules, la température de culture peut être abaissée afin de ralentir cette consommation. Cette opération réduit légèrement l'efficacité de la division et de la croissance cellulaires, mais elle prévient efficacement les déformations cellulaires et l'autolyse dues à une carence en oxygène, garantissant ainsi un métabolisme cellulaire normal et la survie des cellules.
L'aération renouvelle directement la source d'oxygène dissous du système de fermentation en introduisant continuellement de l'air frais dans le fermenteur. L'agitation favorise un mélange homogène des gaz, des liquides et des particules solides dans le bouillon de fermentation, améliorant ainsi l'uniformité de la distribution de l'oxygène dissous et l'efficacité des transferts de masse gaz-liquide. En ajustant alternativement le débit d'aération et la puissance d'agitation, un contrôle précis du niveau d'oxygène dissous dans le système de fermentation est possible. Pendant la phase de croissance cellulaire intense, l'augmentation simultanée du débit d'aération et de la puissance d'agitation permet d'accroître significativement le niveau d'oxygène dissous, répondant ainsi pleinement aux besoins en oxygène pour une prolifération cellulaire rapide. En cas d'excès ou de manque d'oxygène dissous, ces deux paramètres peuvent être ajustés avec précision afin de maintenir un environnement stable d'oxygène dissous dans le système de fermentation, garantissant une croissance et un métabolisme cellulaires continus et stables.
La demande biologique en oxygène (DBO) est un indicateur important du degré de pollution organique des milieux aquatiques, reflétant directement la quantité totale d'oxygène nécessaire à la décomposition de la matière organique par les micro-organismes. Lors de la fermentation, l'équilibre entre l'oxygène dissous (OD) et la DBO est crucial pour la croissance normale des micro-organismes. Ce n'est que lorsque la concentration d'oxygène dissous (OD) est supérieure à la DBO que les micro-organismes peuvent maintenir une croissance et une activité métabolique normales. Si la concentration d'oxygène dissous est inférieure à la DBO, le système subit un stress hypoxique, inhibant le métabolisme physiologique microbien. Il en résulte une diminution du taux de croissance cellulaire, une réduction de l'accumulation des métabolites et, dans les cas les plus graves, une autolyse cellulaire, aboutissant à l'échec de la fermentation.
Les jeunes cultures, du fait de leur croissance et de leur maturité insuffisantes, ainsi que de l'établissement incomplet de leurs systèmes enzymatiques intracellulaires et de leurs mécanismes métaboliques, s'adaptent moins bien au nouvel environnement après leur transfert dans une cuve de fermentation, ce qui ralentit le démarrage. Les cultures plus âgées, quant à elles, peuvent également présenter de faibles performances dans le nouvel environnement en raison d'une viabilité cellulaire réduite et d'un déclin métabolique. Dans les deux cas, le cycle de fermentation s'allonge, les coûts de production augmentent et, au final, le rendement diminue.
Lorsque la taille de l'inoculum est importante, la division et la prolifération cellulaires qui en découlent s'accompagnent d'une abondance de métabolites tels que l'ARN. Ces métabolites peuvent soutenir rapidement la croissance et la reproduction cellulaires dans le nouvel environnement, permettant aux cellules d'entrer rapidement en phase de croissance exponentielle et de réduire le temps nécessaire à leur adaptation.
À l'inverse, si la taille de l'inoculum est trop faible, la quantité de métabolites intracellulaires sera insuffisante, obligeant les cellules à consacrer plus de temps à la synthèse des substances nécessaires, ce qui prolongera la phase de latence. Prenons l'exemple de la fermentation alcoolique par levures : un inoculum insuffisant ralentira considérablement la production d'alcool en début de fermentation, allongeant ainsi le cycle et réduisant le rendement.