1. Il s'agit d'un processus de sélection naturelle des cellules bactériennes.
La sélection naturelle est le processus de sélection de souches supérieures par mutation spontanée au cours de la production, sans intervention artificielle. Les mutations spontanées présentent souvent deux possibilités : la dégénérescence de la souche, entraînant une baisse des performances de production, ou l'augmentation de l'activité métabolique, se traduisant par une amélioration des performances. Un personnel expérimenté et attentif peut exploiter ces modifications phénotypiques pour sélectionner des souches supérieures. Par exemple, lors de la fermentation de l'acide glutamique, des souches résistantes aux phages ont été isolées de bouillons de fermentation contaminés par des bactériophages. De même, lors de la fermentation d'antibiotiques, l'échantillonnage d'un lot de bouillon de fermentation à haut rendement permet souvent d'obtenir des souches relativement stables et à haut rendement. Cependant, la fréquence des mutations spontanées est faible et la probabilité de développer des caractéristiques supérieures est réduite ; un temps considérable est nécessaire pour obtenir des résultats.
2. Il s'agit d'une culture par mutagenèse cellulaire bactérienne.
La mutagenèse consiste à induire des mutations artificielles chez les micro-organismes, puis à sélectionner les souches mutantes répondant aux exigences spécifiques de production et d'expérimentation scientifique. Comparée à d'autres méthodes de sélection, la mutagenèse présente l'avantage d'être simple, rapide et très efficace, et demeure une méthode de sélection microbienne importante et largement utilisée. La mutagenèse comprend trois étapes : la sélection de la souche initiale, le traitement mutagène et la sélection des souches mutantes.
Après mutagenèse, les souches bactériennes peuvent produire différents types de mutants. Comment sélectionner le mutant souhaité ? Généralement, cela se fait en deux étapes : le criblage primaire et le criblage secondaire. L'exemple suivant illustre le criblage de souches mutantes à haut rendement de bactéries productrices de pénicilline. La solution bactérienne mutagénisée est diluée à une concentration donnée et étalée sur des plaques de gélose. Après incubation, les colonies isolées sont transférées sur des plaques de gélose inclinée. Après une nouvelle incubation, chaque colonie sur gélose inclinée est inoculée dans un flacon agité, puis son titre d'antibiotique est mesuré. C'est le criblage primaire. Les souches dont le titre dépasse celui du témoin de plus de 10 % lors du criblage primaire sont ensuite soumises au criblage secondaire. Le processus de criblage secondaire est fondamentalement le même que le criblage primaire, à la différence que chaque colonie sur gélose inclinée est généralement inoculée dans trois flacons agités afin d'obtenir le titre moyen. Le criblage secondaire peut être répété de 1 à 3 fois. Les souches stables à haut rendement ainsi sélectionnées doivent encore faire l'objet d'essais à petite et moyenne échelle avant d'être utilisées dans la production par fermentation.
1. Matières premières : source de carbone, source d'azote, facteur de croissance, sel inorganique et eau.
2. Principes : L'objectif doit être clair, la nutrition doit être coordonnée et le pH doit être approprié.
Le processus de fermentation doit être exempt de toute contamination par d'autres micro-organismes. Cela nécessite la stérilisation non seulement du milieu de culture, mais aussi du matériel de fermentation et de l'air introduit. La stérilisation doit détruire non seulement les cellules des autres micro-organismes, mais aussi leurs spores et endospores.
L'expansion de la culture peut raccourcir la période d'adaptation à la croissance microbienne.
Il s'agit de l'étape centrale de la fermentation. Le contrôle des conditions de fermentation, telles que la température, le pH, l'oxygène dissous, le taux d'aération et la vitesse d'agitation, est essentiel. En effet, les variations de ces conditions environnementales affectent non seulement la croissance et la reproduction des micro-organismes, mais aussi la formation de leurs métabolites. Les principaux facteurs influençant le processus de fermentation sont les suivants.
1. Contrôle de la température
La température a des effets multiples sur les micro-organismes. Premièrement, elle influence l'activité enzymatique. Dans la plage de température optimale, l'augmentation de la température accélère la croissance et le métabolisme cellulaires, ainsi que la vitesse de fermentation. En dehors de cette plage, les enzymes deviennent rapidement inactives, les cellules vieillissent, le cycle de fermentation se raccourcit et le rendement diminue. La température influence également les voies de biosynthèse. Par exemple, *Streptomyces aureus* synthétise efficacement la chlortétracycline en dessous de 30 °C, mais au-dessus de 35 °C, il ne synthétise que la tétracycline. De plus, la température affecte les propriétés physiques du milieu de fermentation ainsi que la décomposition et l'absorption des nutriments par les micro-organismes. Le maintien d'une température optimale est donc crucial pour le bon déroulement de la fermentation. Cependant, les températures optimales pour la croissance cellulaire et la synthèse des produits ne sont pas nécessairement identiques. Par exemple, la température optimale de croissance de *Streptomyces griseus* est de 37 °C, tandis que la température optimale pour la production d'antibiotiques est de 28 °C. En règle générale, il est nécessaire de déterminer la température optimale pour chaque étape de fermentation des différents micro-organismes par le biais d'expériences et de mettre en œuvre un contrôle segmenté.
2. Valeur de pH appropriée
Le pH influence l'activité enzymatique et l'état de charge des membranes cellulaires. Les variations de charge des membranes cellulaires modifient leur perméabilité, ce qui peut impacter l'absorption des nutriments et la sécrétion des métabolites par les micro-organismes. De plus, le pH influe sur la décomposition des nutriments dans le milieu de culture. Par conséquent, le pH du bouillon de fermentation doit être contrôlé. Cependant, le pH optimal varie selon le stade de croissance et le stade de synthèse des différentes espèces microbiennes, nécessitant un contrôle spécifique. Au cours de la fermentation, le pH du bouillon évolue inévitablement à mesure que les micro-organismes utilisent les nutriments et accumulent les métabolites. Par exemple, lors de la décomposition de l'urée, la concentration en ions NH₄⁺ dans le bouillon augmente, et le pH s'élève en conséquence. En production industrielle, le pH est souvent maintenu par l'ajout d'un système tampon au bouillon de fermentation ou par l'ajout intermittent d'ammoniaque, d'urée, de carbonate d'ammonium ou de carbonate de calcium. Actuellement, des électrodes de pH pour la détection des processus de fermentation ont été développées en Chine pour la mesure et l'enregistrement continus des variations de pH, avec des régulateurs de pH ajustant la quantité d'acide et de base ajoutée.
3. Oxygène dissous
L'apport d'oxygène est un facteur critique pour la fermentation aérobie. L'oxydation complète d'une mole de glucose nécessite six moles d'oxygène ; lors de la synthèse de métabolites à partir de sucre, une mole de glucose requiert environ 1,9 mole d'oxygène. Par conséquent, les micro-organismes aérobies ont des besoins élevés en oxygène. Or, pendant la fermentation, ils ne peuvent utiliser que l'oxygène dissous dans le milieu de fermentation, lequel est peu soluble dans l'eau. À 101,32 kPa et 25 °C, la solubilité de l'oxygène dans l'eau est de 0,26 mmol/L. Dans les mêmes conditions, elle n'est que de 0,20 mmol/L dans le milieu de fermentation et diminue encore avec l'augmentation de la température. Il est donc nécessaire d'apporter continuellement une grande quantité d'oxygène au milieu de fermentation et de l'agiter constamment afin d'améliorer sa solubilité.
4. Mousse
Lors de la fermentation, l'aération, l'agitation, le métabolisme microbien et la décomposition de certains composants du milieu de culture peuvent générer de la mousse. Une certaine quantité de mousse est normale, mais une mousse excessive et persistante est néfaste. La mousse occupe le volume du fermenteur, entravant l'aération et l'agitation, et pouvant même entraîner des anomalies métaboliques ; il est donc impératif de l'éliminer. Les méthodes antimousse courantes se répartissent en deux catégories : l'installation de chicanes antimousse pour forcer la rupture de la mousse par de fortes vibrations mécaniques, et l'utilisation d'agents antimousse. La concentration des nutriments dans le bouillon de fermentation, notamment le rapport carbone/azote, les sels minéraux et les vitamines, influe directement sur la croissance cellulaire et l'accumulation des produits métaboliques. Par exemple, lors de la fermentation de l'acide glutamique, les variations de la concentration en NH₄⁺ affectent les voies métaboliques (voir fermentation de l'acide glutamique). Par conséquent, des mesures de contrôle doivent être mises en œuvre en fonction des spécificités de la fermentation. Prenons l'exemple de la production d'acide glutamique : la régulation et le contrôle de l'oxygène, de la température, du pH et des phosphates pendant la fermentation sont les suivants :
①Oxygène. Les bactéries productrices d'acide glutamique sont aérobies. L'aération et l'agitation influencent non seulement la vitesse d'utilisation des sources d'azote et de carbone par les bactéries, mais aussi le cycle de fermentation et la quantité d'acide glutamique synthétisée. En particulier, lors des dernières étapes de la fermentation, une aération accrue favorise la synthèse d'acide glutamique.
②Température. La température optimale pour la croissance de la souche microbienne est de 30 à 32 °C. Lorsque les cellules microbiennes atteignent la phase stationnaire, une augmentation appropriée de la température favorise la production d'acide. Par conséquent, lors des dernières étapes de la fermentation, la température peut être portée à 34–37°C.
③pH. Le pH optimal pour la fermentation par les bactéries productrices de glutamate se situe entre 7,0 et 8,0. Cependant, au cours de la fermentation, le pH du milieu de culture évolue continuellement à mesure que les nutriments sont consommés et que les produits du métabolisme s'accumulent. Par exemple, le pH augmente lorsque les sources d'azote sont utilisées et que de l'ammoniac est libéré ; il diminue lorsque les sucres sont utilisés pour produire des acides organiques.
④Phosphate. Il est essentiel à la fermentation de l'acide glutamique, mais sa concentration ne doit pas être trop élevée, sinon la fermentation se dirigera vers celle de la valine. Après fermentation, il est généralement extrait par des méthodes telles que l'échange d'ions sur résines.
Métabolites : peuvent être extraits par des méthodes telles que la distillation, l'extraction et l'échange d'ions.
Les bactéries elles-mêmes peuvent être séparées du milieu de culture par des méthodes telles que la filtration et la précipitation.
Le niveau de production de la fermentation microbienne dépend principalement des caractéristiques génétiques de la souche et des conditions de culture. Les applications du génie de la fermentation comprennent :
1. Industrie pharmaceutique
2. Industrie alimentaire
3. Industrie énergétique
4. Industrie chimique
5. Agriculture : Modification génétique des plantes ; fixation biologique de l'azote ; bactéries insecticides modifiées et pesticides biologiques ; nutriments microbiens.
6. Protection de l'environnement, etc. Il est cependant crucial de prévenir toute contamination lors du processus de fermentation microbienne. En cas d'infection par d'autres souches microbiennes, le produit souhaité ne pourra être obtenu.