La fermentation microbienne est une pierre angulaire de la recherche biotechnologique et de la production industrielle. Parmi les méthodes les plus couramment utilisées figurent la culture en flacon agité et la culture en cuve (bioréacteur), chacune offrant des avantages et des défis distincts. Comprendre les différences entre ces méthodes est essentiel pour assurer un passage réussi de la recherche en laboratoire à la production industrielle.
Bien que la culture en flacon agité soit largement privilégiée dans la recherche fondamentale et l’enseignement en raison de sa simplicité et de son faible coût, les chercheurs rencontrent souvent des incohérences lors de l’application des paramètres optimisés en flacons directement à la fermentation à grande échelle en cuve. Ces écarts découlent de plusieurs facteurs critiques, notamment les variations des niveaux d’oxygène dissous, de la concentration de CO₂ et des forces mécaniques. Ci-dessous, nous explorons les principales différences entre les cultures en flacon agité et en cuve, ainsi que les stratégies pour combler ces écarts.
Différences clés entre la culture en flacon agité et la culture en cuve
1. Niveaux d’oxygène dissous
- Culture en flacon agité : L’oxygène est fourni par des membranes respirantes ou des bouchons lâches, rendant le transfert d’oxygène très dépendant des conditions environnementales.
- Culture en cuve : L’aération est précisément contrôlée via des systèmes d’air intégrés. Le taux de transfert d’oxygène dissous (valeur Kd) est nettement plus élevé et plus constant que dans les flacons agités.
2. Concentration de CO₂
- Culture en flacon agité : Fonctionne sous pression atmosphérique normale, entraînant une accumulation relativement faible de CO₂.
- Culture en cuve : Souvent réalisée sous pression positive, ce qui entraîne des concentrations plus élevées de CO₂ pouvant directement affecter la croissance microbienne et la synthèse des produits.
3. Stress mécanique
- Culture en flacon agité : Les micro-organismes subissent des dommages mécaniques minimes, principalement dus au mouvement du liquide et à l’interaction avec les surfaces.
- Culture en cuve : Les forces mécaniques générées par les agitateurs et le mélange prolongé peuvent imposer un stress de cisaillement considérable aux cellules microbiennes, affectant potentiellement leur viabilité et leur productivité.
4. Autres facteurs influençant
| Paramètre | Culture en flacon agité | Culture en cuve |
| Contrôle du pH | Généralement non contrôlé | Maintenu avec précision |
| Pression | Pression atmosphérique | Variable (souvent positive) |
| Stratégies d’alimentation | Limitées ou absentes | Contrôlées et continues possibles |
Stratégies pour minimiser les différences entre la fermentation en flacon agité et en cuve
Pour améliorer la corrélation entre les résultats de fermentation à petite et à grande échelle, plusieurs ajustements peuvent être appliqués lors de la culture en flacon agité :
Optimisation de l’oxygène dissous
- Augmenter la vitesse de l’agitateur pour améliorer le transfert d’oxygène.
- Réduire le volume de culture pour améliorer l’aération (tout en surveillant les pertes par évaporation).
- Introduire de l’air ou de l’oxygène stérile directement dans le flacon.
- Ajouter des billes de verre pour simuler des effets de mélange similaires à l’agitation en cuve.
Équilibrage des effets mécaniques
- Ajouter des déflecteurs à l’intérieur du flacon pour créer des turbulences et imiter les forces de cisaillement.
- Choisir des agitateurs de cuve qui minimisent le cisaillement, comme les mélangeurs à hélice ou à disque.
- Optimiser la vitesse et la durée d’agitation dans les cuves pour limiter les dommages mécaniques.
- Augmenter la viscosité du bouillon de fermentation, si applicable, pour protéger les cellules des forces de cisaillement sans compromettre le transfert d’oxygène.
Conclusion
La réussite de la fermentation microbienne dépend de la compréhension des différences opérationnelles entre les cultures en flacon agité et en cuve. En ajustant soigneusement les conditions expérimentales et en appliquant des méthodes d’équilibrage, les chercheurs peuvent réduire la variabilité, améliorer la reproductibilité et assurer une transition plus fluide des expériences à l’échelle du laboratoire à la production à l’échelle industrielle.
Pour des résultats optimaux, il est essentiel de prendre en compte ces facteurs dès les premières étapes du processus de recherche et développement, afin que les études à petite échelle informent efficacement les opérations à grande échelle.
