D’un point de vue technologique, les procédés de fermentation peuvent être classés selon les méthodes microbiologiques suivantes : culture aérobie et anaérobie ; culture en phase solide, en surface et en profondeur ; ainsi que culture discontinue et continue. Cet article traitera de la culture en surface et en profondeur, ainsi que de la culture discontinue et continue.
Fermentation de surface sur substrats liquides. La fermentation de surface est réalisée dans des cuves placées dans des chambres ventilées, où la culture de micro-organismes forme une biomasse sous forme de film ou de couche solide à la surface d’un milieu liquide. L’oxygène est directement absorbé depuis la phase gazeuse (air) et le transfert de masse dans ces conditions est relativement faible.
Culture en profondeur des micro-organismes. La culture en profondeur s’effectue dans tout le volume d’un milieu nutritif liquide contenant un substrat dissous. Le fermenteur doit faciliter la croissance et le développement microbiens en phase liquide en fournissant des nutriments aux cellules microbiennes, en éliminant les sous-produits métaboliques et en dissipant la chaleur générée par l’activité cellulaire.
Culture par lots et en continu
- Culture par lots. Dans ce type de culture, la totalité du milieu nutritif est introduite dans le fermenteur avec l’inoculum. La croissance microbienne se déroule dans des conditions optimales pendant une durée déterminée, après quoi le processus est interrompu et le contenu du fermenteur est récolté pour l’isolement du produit. Le cycle de croissance microbienne comprend les phases suivantes : phase de latence, phase exponentielle, phase de décélération, phase stationnaire et phase de mort.
La culture en discontinu est une variante largement utilisée, où du milieu frais est ajouté périodiquement sans retirer le liquide de culture. De plus, la culture semi-continue implique le retrait intermittent d’une partie du volume de culture, qui est remplacée par une quantité équivalente de milieu frais.
- Culture continue. En culture continue, du milieu nutritif frais est continuellement introduit dans le bioréacteur, tandis que le milieu de culture, contenant la biomasse microbienne, est simultanément retiré. Cette méthode maintient les micro-organismes dans une phase de croissance exponentielle stable, assurant l’équilibre entre la production de biomasse par division cellulaire et son élimination par dilution avec du milieu frais.
La méthode de fermentation continue la plus étudiée est la fermentation submergée, qui peut être classée comme fermentation continue homogène ou hétérogène :
- Fermentation continue homogène : réalisée dans un bioréacteur bien mélangé où tous les paramètres restent constants au fil du temps.
- Fermentation continue hétérogène : implique plusieurs fermenteurs connectés en série, le milieu nutritif entrant dans la première unité et le fluide de culture final sortant de la dernière unité.
Pour éviter le lessivage microbien, la culture continue nécessite le maintien d’une concentration cellulaire stable. En conditions stériles, la fermentation continue assure une activité physiologique prolongée de la culture microbienne.
En fonction de la méthode utilisée pour maintenir l’équilibre dynamique, la culture continue suit soit le principe turbidostatique, soit le principe chimiostatique :
- Turbidostat : Le débit de nutriments est régulé pour maintenir une concentration de biomasse constante.
- Chemostat : la croissance microbienne est limitée par un nutriment spécifique (par exemple, le carbone, l’oxygène ou les vitamines essentielles), tandis que d’autres nutriments restent en excès. La croissance peut également être régulée par le contrôle du pH (pH-stat) ou la disponibilité en oxygène (oxystat).
Optimisation des procédés de fermentation. Le choix de la méthode de fermentation dépend de l’objectif de production, qu’il s’agisse de biomasse ou de produits métaboliques. Si l’objectif est la production de biomasse, la fermentation vise à atteindre la concentration cellulaire la plus élevée possible. À l’inverse, pour la production de métabolites, l’accumulation des composés cibles se produit progressivement, les pics de production variant selon la biomasse et les métabolites. Par conséquent, la durée de la fermentation varie :
- Production de biomasse dans les procédés par lots : ≤ 24 heures
- Biosynthèse des métabolites primaires : 48 à 72 heures
- Biosynthèse des métabolites secondaires : 72 à 144 heures
Les conditions de culture des différents micro-organismes varient, avec des températures de fonctionnement comprises entre 25 et 60 °C, des valeurs de pH généralement autour de 2,9 et une consommation d’air dans les processus aérobies allant de 0,15 à 2,5 m³ par m³ de milieu par minute.
