Bioréacteurs à ultrasons pour la fermentation

Les ultrasons constituent un moyen efficace de stimuler les micro-organismes par des vibrations mécaniques et la cavitation. Dans un sonobioréacteur / fermenteur à ultrasons, le traitement ultrasonique des cellules et des tissus devient hautement contrôlable, car les facteurs environnementaux peuvent être déterminés avec exactitude. Grâce aux bioréacteurs à ultrasons, le rendement de la fermentation peut être considérablement amélioré.

Fermentation

L’efficacité de la fermentation dépend des conditions du procédé : les nutriments, la densité du milieu, la température, la teneur en oxygène / gaz et la pression sont des facteurs importants qui influencent l’activité microbienne. Les micro-organismes, tout comme les cellules de mammifères, ne prospèrent que dans certaines conditions. Des conditions appropriées, combinées à une stimulation ultrasonique, peuvent maximiser le rendement de la fermentation.

Stimulation ultrasonique des micro-organismes

La fermentation est un processus métabolique qui convertit le sucre en acides, en gaz ou en alcool. Elle se produit chez les levures et les bactéries, ainsi que dans les cellules musculaires privées d’oxygène, comme dans le cas de la fermentation lactique. Le terme de fermentation est également employé plus largement pour désigner la croissance en masse de micro-organismes sur un milieu de culture, souvent dans le but de produire un produit chimique spécifique.
Les procédés de fermentation sont mis en œuvre à l’échelle industrielle à l’aide de micro-organismes tels que des bactéries et des champignons. Les produits fermentés sont utilisés dans l’industrie alimentaire et dans l’industrie en général. Des produits chimiques tels que l’acide acétique, l’acide citrique et l’éthanol sont produits par fermentation. La vitesse de fermentation est influencée par la concentration en micro-organismes, en cellules, en composants cellulaires et en enzymes, ainsi que par la température et le pH. Pour la fermentation aérobie, l’oxygène est également un facteur clé. Presque toutes les enzymes produites commercialement, telles que la lipase, l’invertase et la présure, sont fabriquées par fermentation à l’aide de microbes génétiquement modifiés.

En général, les fermentations peuvent être divisées en quatre types/étapes de procédé :

• Production de biomasse (matériel cellulaire viable)
• Production de métabolites extracellulaires (composés chimiques)
• Production de composants intracellulaires (enzymes et autres protéines)
• Transformation du substrat (le substrat transformé constituant lui-même le produit)

Sonication avant, pendant et après la fermentation

La sonication, c’est-à-dire l’application d’ondes ultrasonores de basse fréquence, peut être utilisée avant, pendant et après la fermentation, de diverses manières et à différentes étapes du procédé de fermentation.

Traitement ultrasonique avant fermentation – amélioration de la disponibilité de la biomasse

1. Amélioration du transfert de masse : La sonication utilisée comme prétraitement favorise le transfert de masse et rend le substrat plus accessible aux microbes. Le mélange par ultrasons favorise le transfert de masse des substrats vers les cellules microbiennes et l’évacuation des produits hors de celles-ci. L’intensification ultrasonique du transfert de masse peut être appliquée aussi bien en prétraitement que pendant la fermentation.
2. Disruption cellulaire : La sonication peut être employée pour rompre les parois et les membranes cellulaires, en particulier dans les cultures microbiennes ou de levures. Cela favorise la libération de composants intracellulaires, tels que des enzymes ou des métabolites, ce qui peut améliorer les performances de la fermentation ou faciliter les procédés en aval.
3. Extraction de composés intracellulaires : La sonication peut faciliter l’extraction de composés intracellulaires à partir de matériaux biologiques avant la fermentation. Cela comprend l’extraction d’enzymes, de protéines, d’acides nucléiques ou d’autres composés cibles à partir de cellules, de tissus ou de matières végétales en vue de leur utilisation ultérieure dans des procédés de fermentation.

Par exemple, un prétraitement ultrasonique de balles de riz a été utilisé pour améliorer l’hydrolyse enzymatique en vue de la production de xylo-oligosaccharides par Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Grâce à la sonication, la production d’enzymes cellulolytiques et xylanolytiques à partir des balles de riz a été considérablement accrue. Le rendement en hémicellulose a été multiplié par 1,4 sous sonication et la durée de production a été fortement réduite, passant de 24 h à 1,5 h à 80ºC – avec un potentiel supplémentaire d’optimisation du procédé. La biomasse soniquée est beaucoup plus facilement convertible par les champignons, de sorte que la stabilité de l’activité enzymatique est prolongée et que l’activité de la CMCase, de la b-glucosidase et de la xylanase est accrue par rapport aux balles de riz non soniquées. Les produits finaux de la fermentation étaient le xylotétraose, le xylohexaose et des xylo-oligosaccharides de masse moléculaire plus élevée. Le rendement en xylohexaose obtenu à partir des balles de riz soniquées était supérieur de 80%.

Fermentation assistée par ultrasons – stimulation des microbes

• Mélange et homogénéisation : La sonication peut être utilisée comme technique de mélange pendant la fermentation. L’application d’ondes ultrasonores contribue à créer du microstreaming et favorise l’homogénéité, assurant une répartition uniforme des nutriments, des gaz et des micro-organismes dans la cuve de fermentation.
• Amélioration du transfert de masse : L’amélioration des vitesses de transfert de masse par ultrasons pendant la fermentation est liée à l’amélioration du mélange et de l’homogénéisation. Les oscillations ultrasoniques et la cavitation créent une turbulence localisée et renforcent la diffusion des substrats, des gaz et des nutriments dans le bouillon de fermentation. Cela peut améliorer l’efficacité et la productivité globales du procédé de fermentation.
• Amélioration de la viabilité cellulaire et de l’activité métabolique : La sonication peut être appliquée aux cultures microbiennes pendant la fermentation afin d’améliorer la viabilité cellulaire et l’activité métabolique. Une sonication douce peut stimuler certains micro-organismes, favorisant la croissance, la production de biomasse et la synthèse des métabolites ou produits de fermentation souhaités.

Une sonication contrôlable avec précision et reproductible contribue à améliorer la productivité de divers procédés de fermentation sans endommager les cellules. L’intensité de la sonication peut être adaptée exactement à l’espèce cellulaire concernée et à ses exigences. Grâce à une sonication contrôlée, la croissance et le métabolisme cellulaires sont influencés positivement et les conversions catalysées par des cellules vivantes sont considérablement améliorées, par ex. la stimulation des bifidobactéries dans le lait.
Dans certains procédés de fermentation reposant sur des champignons, la sonication est utilisée avec succès pour modifier la morphologie de croissance et la rhéologie du bouillon sans affecter la vitesse de croissance ni le rendement des champignons filamenteux.

Traitement ultrasonique après fermentation

• Récolte et séparation des cellules : La sonication peut faciliter la récolte et la séparation des cellules après la fermentation. Elle peut contribuer à rompre les agrégats cellulaires, les floculants ou les biofilms, facilitant ainsi la libération des cellules du bouillon de fermentation. Cela simplifie les procédés en aval ultérieurs, tels que la récupération des cellules ou la purification du produit.
• Extraction de produits intracellulaires : Après la fermentation, la sonication peut être utilisée pour extraire des produits intracellulaires, tels que des enzymes, des protéines ou des métabolites secondaires, à partir de biomasse microbienne ou cellulaire. Ce procédé d’extraction permet de récupérer des composés de valeur et améliore le rendement global du procédé de fermentation.
• Désintégration cellulaire à des fins analytiques : La sonication peut être appliquée pour rompre des cellules ou des échantillons microbiens après la fermentation, en particulier à des fins analytiques. Elle facilite la lyse cellulaire et la libération du contenu intracellulaire, ce qui facilite l’analyse des composants cellulaires ou la réalisation d’essais en aval.

Pour la production de composants intracellulaires tels que des enzymes microbiennes (par ex. catalase, amylase, protéase, pectinase, glucose isomérase, cellulase, hémicellulase, lipase, lactase, streptokinase) et des protéines recombinantes (par ex. insuline, vaccin contre l’hépatite B, interféron, facteur de stimulation des colonies de granulocytes, streptokinase), les cellules doivent être lysées / rompues après le procédé de fermentation afin de libérer les protéines souhaitées. La sonication facilite l’extraction des complexes polysaccharide–protéine intracellulaires et extracellulaires à partir du bouillon de fermentation mycélien visqueux. Outre son rendement et son efficacité d’extraction remarquables, la sonication est une méthode bien établie et fiable pour la lyse cellulaire et l’extraction de matière intracellulaire.
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Bioréacteurs à ultrasons pour des procédés de fermentation améliorés

Hielscher Ultrasonics possède une longue expérience des bioprocédés stimulés par ultrasons, tels que la stimulation cellulaire, la fermentation, la disruption cellulaire et l’extraction. Nous proposons divers réacteurs à ultrasons standard de différentes tailles et géométries pour la sonication en mode batch et en flux continu. Nous proposons également des solutions sur mesure pour l’intégration dans votre bioréacteur existant. Nos processeurs à ultrasons étant très polyvalents et peu encombrants, leur intégration ultérieure dans des installations biotechnologiques existantes peut être réalisée sans difficulté.
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Bibliographie/Références

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• N. Sainz Herrán, J. L. Casas López, J. A. Sánchez Pérez, Y. Chisti (2008): Effects of ultrasound on culture of Aspergillus terreus. J Chem Technol Biotechnol 2008, 83: 593–600./li>
• C. F. Liu, W. B. Zhou (2010): Stimulating Bio-yogurt Fermentation by High Intensity Ultrasound Processing.