Les étapes de la fermentation microbienne, au niveau moléculaire
La fermentation microbienne repose sur un principe biochimique fondamental : la conversion d’un substrat par des micro-organismes en une ou plusieurs molécules d’intérêt.
- Le substrat est la matière première, c’est-à-dire la source de carbone et d’énergie. Le plus utilisé est le glucose. D’autres sucres issus de la biomasse peuvent également être employés selon les objectifs de production.
- Les micro-organismes sont quant à eux les acteurs du procédé. Chaque espèce de micro-organisme possède un métabolisme et des voies enzymatiques spécifiques qui orientent les produits finaux. Différents micro-organismes peuvent alors être utilisés selon le résultat souhaité : levures, bactéries ou champignons.
Pour comprendre plus précisément les étapes de la fermentation au niveau moléculaire, prenons l’exemple de la glycolyse :
- C’est une voie métabolique d’assimilation du glucose et de production d’énergie, base de la fermentation.
- Elle se déroule dans le cytoplasme de la cellule et consiste en une succession de réactions enzymatiques qui dégradent le glucose en pyruvate.
- A partir du pyruvate, plusieurs voies fermentaires sont possibles en fonction du type de micro-organisme, de la composition et des conditions du milieu : pH, température, oxygénation, disponibilité en nutriments…
Les différents types de fermentation microbienne
Chaque micro-organisme, selon son métabolisme, permet la production de molécules d’intérêt spécifique selon l’objectif final. Il existe 3 fermentations microbiennes courantes :
Et on trouve également des fermentations microbiennes de type :
- Butyrique : glucose ou lactate → Acide butyrique
- Propionique : acide lactique ou glucose → Acide propionique + acide acétique + CO₂ + H₂
- Malolactique : acide malique → Acide lactique + CO₂
- Acétone-butanol-éthanol (ABE) : glucose → Butanol + acétone + éthanol
Cette diversité métabolique montre le potentiel industriel du vivant : un même substrat peut permettre la production d’une grande variété de molécules d’intérêt selon la souche et le procédé utilisés.
La fermentation microbienne au niveau industriel, en bioréacteur
Grâce à son expertise, Ennolys industrialise ce procédé artisanal et naturel pour développer des ingrédients naturels par voie microbiologique. La fermentation se réalise alors grâce à des bioréacteurs, des fermenteurs de grand volume, dans lesquels chaque condition est précisément contrôlée : température, pH, agitation, pression, oxygénation et nutriments.
La croissance microbienne se déroulera en 3 phases :
- La phase de latence au cours de laquelle la souche s’adapte au milieu ;
- La phase exponentielle qui correspond à la phase de multiplication rapide des cellules et au cours de laquelle des métabolites primaires sont produits en grande quantité ;
- La phase stationnaire pendant laquelle la croissance cellulaire ralentit. En fonction du micro-organisme et des produits, la croissance des métabolites primaires continue ou est stoppée, tandis que la production des métabolites secondaires entre en jeu (s’il doit y avoir synthétisation de ces métabolites).
Les produits fermentaires qui en résultent sont :
- Des métabolites dits primaires car formés pendant la croissance : acides organiques, alcools ou gaz ;
- Des métabolites dits secondaires car formés après la croissance : pigments, antibiotiques ou arômes naturels ;
- Des biomolécules: enzymes, peptides ou probiotiques.
Ces fermentations et les produits fermentaires associés illustrent bien la diversité métabolique exploitée industriellement par Ennolys.
De plus, afin d’assurer leur pureté et leur qualité, les produits obtenus sont ensuite isolés et purifiés au travers des étapes de downstream processing (DSP): centrifugation, filtration, distillation, extraction, chromatographie… Chez Ennolys, notre service de Contrôle Qualité & Conformité pilote ces opérations pour proposer des produits de haute qualité répondants aux exigences de nos clients. Notre site est certifié FSSC 22000, ISO 9001, FAMI-QS mais aussi Halal et Kosher ce qui nous permet de garantir la fiabilité, la traçabilité et la conformité de nos productions.
La fermentation microbienne, pour quelles applications industrielles ?
Quels que soient leurs besoins, Ennolys met son expertise en fermentation microbienne au service de différents secteurs.
- En nutraceutique : la fermentation microbienne permet notamment la production de composés bioactifs, telles que les vitamines, mais aussi la production de probiotiques ou d’arômes naturels.
- En cosmétique : la fermentation microbienne permet d’obtenir des ingrédients comme l’acide hyaluronique, des peptides bioactifs ou des enzymes intégrés ensuite dans une large gamme de produits.
- En agroalimentaire: la fermentation microbienne est la base de nombreux aliments comme les yaourts, fromages, pain, vin, choucroute… et permet aussi de produire des additifs alimentaires comme des acides organiques, des arômes naturels ou bien des colorants.
Au-delà de ces secteurs d’expertise pour Ennolys, la fermentation microbienne offre également des possibilités dans de nombreux autres domaines :
- En biotechnologie et en chimie verte, elle permet de produire des molécules comme de l’acétone ou du butanol mais aussi des biopolymères ;
- Dans les secteurs du textile ou de la papeterie, avec la production d’enzymes industrielles ;
- Elle permet la production de bioéthanol et de biogaz pouvant être utilisés dans la production d’énergie ou de biocarburants ;
- Dans la protection de l’environnement et le traitement des déchets, elle permet de valoriser ces derniers ou de les traiter biologiquement.
L’optimisation des rendements en fermentation, les 5 erreurs à éviter
La fermentation est un process biochimique qui intègre de nombreux paramètres. Tous peuvent donc impacter directement la fermentation et donc le rendement final. On peut notamment citer :
Un mauvais choix de souche
Le choix de la souche microbienne est très important puisque c’est la souche qui conditionne directement la productivité et la stabilité du procédé. Il est également important de s’assurer de l’activité de la souche à l’échelle industrielle, notamment à cause des différents paramètres qui pourraient influencer et impacter la souche et donc la productivité.Un substrat non optimisé
Un substrat mal adapté peut avoir un impact considérable sur les micro-organismes et le rendement. En effet, il peut notamment limiter la croissance cellulaire ou induire la production de sous-produits ou de métabolites indésirables. Il est donc indispensable de choisir le substrat optimal dès le début pour une meilleure performance fermentaire, limitant ainsi les coûts.Une oxygénation mal maîtrisée
L’oxygène joue un rôle clé dans l’orientation des voies métaboliques, même pour des fermentations dites anaérobies. Une oxygénation insuffisante ou excessive peut entraîner une baisse de productivité ou la formation de métabolites non souhaités.Un DSP sous-dimensionné
Le DSP est aussi important que la fermentation en elle-même. En effet, la fermentation peut perdre sa valeur si la récupération et la purification du produit ne sont pas correctement anticipées. Un DSP sous-dimensionné entraîne des pertes de rendement, des coûts élevés ou une qualité produit insuffisante. Il est donc primordial de prendre cet aspect en compte et de le réfléchir dès le début.La sous-estimation du scale-up
Les conditions optimales observées à l’échelle laboratoire ne sont pas directement transposables à l’échelle pilote ou industrielle, dû à l’évolution de différents paramètres. Négliger les effets du changement d’échelle peut grandement impacter l’industrialisation avec notamment des écarts de productivité et de délais.
La fermentation microbienne est un pilier de l’innovation biotechnologique, c’est une solution indispensable pour de nombreuses, pour ne pas dire toutes les industries : agroalimentaire, nutraceutique, chimie… En s’appuyant sur les procédés du vivant et le rôle essentiel des micro-organismes, la fermentation offre une production durable de molécules d’intérêt, ouvrant la voie à une chimie plus verte et circulaire.
Chez Ennolys, filiale du groupe Lesaffre, acteur mondial incontournable de la fermentation depuis plus de 170 ans, nous mettons notre expertise au service des industriels pour concevoir et produire des molécules à haute valeur ajoutée et des solutions aromatiques naturelles, dans une logique d’innovation et de durabilité.
Grâce à son offre Ennatech , Ennolys propose une activité de prestation de services en fermentation et en purification (DSP) et séchage, pour accompagner les projets depuis leur échelle laboratoire jusqu’à leur production industrielle.
