Biotech 2011 Chap1

8/7/2019 Biotech 2011 Chap1

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GÉNIE

FERMENTAIRE

S4_IAB3 / S4_GE2



Modules S4IAB3 et S4GE2

Génie génétique (GE + IAB) Mr Bennasroune

Cours : 12h

TD : 6h TP : 8h

r am eau Cours : 4h TD : 2h

Génie fermentaire (GE + IAB) : moi Cours : GE : 12h IAB : 14h

TD : GE : 6h IAB : 8h TP : GE : 8h IAB : 20h



Evaluation

génie fermentaire

1 note = 4 IE début de cours (4x5pts)

1 note IE fin de module (≈ fin mars, coef 2)

1 note (GE) / 3 notes (IAB) de TP



Méthodes, particularités

synthèse de diverses disciplines

visée pratique

documentsprise de notes

bibliographie :

Biotechnologies, R. Scriban



Génie fermentaire

Introduction



Définition

BIO-

-TECHNOLOGIE

Utilisation d'éléments du vivant à

des fins d'applications industrielles,agricoles ou médicales

OCDE (1980) : mise en œuvre dematériel biologique pour uneproduction de biens et de services.



Géniefermentaire

Micro-organismes

PlantesGénie

énéti ueOGM

Biotechnologies

Animaux

GénieenzymatiqueENZYMES



Un peu d’histoire…

Pffouuu, labarbe… Je hais

l’histoire…



Quelques milliers d’années plus

tôt…



Fin XIXe : relation microorganismes /

fermentation

1861



Première moitié XXe : premières

productions industriellesPremière guerre mondiale : glycérine



Première moitié XXe : premières

productions industrielles

1928

Deuxième guerre mondiale : pénicilline



Depuis 1973 : génie génétique



Applications actuelles



Applications environnementales : dépollution

Dépollution desols

Production de bio gaz parméthanisation de déchets

Dépollution des rejets gazeux (COV)

Dépollution des eaux



Applications : productions

Médicaments : protéinesrecombinantes

Bioéthanol

Médicaments : antibiotiques



Applications : productionAdditifs alimentaires

Enzymes : chymosine

Bioplastiques : PLA…



Avantages du vivant

spécificité des réactions



Avantages

diversité des réactions



Avantages

conditions réactionnelles douces

auto entretien des cellules



Inconvénients

complexité de mise en œuvre

rentabilitévariabilité



Outils du génie fermentaire

microbiologie

dosages biochimiques et chimiquesautomatisme

modélisation mathématique

…

synthèse de divers champs de connaissances



Etapes

obtenir le micro-organisme

• sélection• ‘création’ par modification ADN

Géniegénétique

• faisabilité

• rentabilité

mettre en œuvre à l ’échelle industrielleGéniefermentaire





CHAPITRE 1 : cinétiques microbiennes

1. Objectifs



Cinétiques…

Acquérir :

X S

temps

XS

Ptemps X S P



calculer

comparer sélectionner

optimiser

XS

temps

P

dX/dt = f (t, T, pH, S…)

-dS/dt = f (t, X, S…)

dP/dt = f (t, X, S…)



modéliser prévoir et contrôler

dN/dt = rN(1-N/Nmax)(1-Nmin /N)c



Laboratoire

Industriel

Pilote




1. Objectifs

2. Vue d’ensemble



T, pH, pot redox…

X

S

P





Notion de maintenance

‘’On ne se baigne jamais deux fois

dans le même fleuve’’ Héraclite





Utilisation du substrat

S

P

Répartition m/P/X dépend : …

X



Utilisation du substrat

SP

X

Yx/s = g de X formé / g de S consommé Yp/s = g de P formé / g de S consommé

m = g de S consommé / g de X






1. Objectifs

2. Vue d’ensemble3. Cinétique de la biomasse

3.1 courbe de croissance



LnX

LnX1

LnXo

LnX2

LnXf



Milieu non renouvelé (batch)

d e c e l l u l e s

Croissancenon limitée

Au moins 1 paramètrelimitant...

Temps

L n

d u n o m b

r

Adaptationau milieu




1. Objectifs



3.2 paramètres de la croissance







Vitesse de croissance

expression d’une vitesse :

quantité / unité de temps : km/h , pizzas/jour dX / dt = biomasse formée / h

’



Vitesse spécifique de croissance






exercice préparatoire ☺ :

Cinétique de la consommation de frites dans deux cabanes à frittesconcurrentes

emps conso conso v esse e v esse e

cabane 1 cabane 2 production production

11h00-14h00 120 kg 180 kg 40 kg/h 60 kg/h

Dans quelle cabane lesemployés fabriquent-ils leplus de frittes chacun ?

Lesquels je vais virer ???




Temps

Vitessede

consocabane

1

Vitessede

consocabane

2

Nombred’emplo

yéscabane

1

Nombred’emplo

yéscabane

2

Prod.Par

employé

Cabane 1

Prodpar

employé

Cabane 2

Cas b 3 40kg/h 60kg/h 1 2 40 30Cas c 3 40kg/h 60kg/h 2 2 20 30

X dt

dX µ x

1.=

Vitesse spécifiquede croissance = µx



Vitesse spécifique de croissance (µx)

croissance = réaction d’ordre 1

X µdt

dX r x x .==

D'où : X dt

dX µ x

1.= En h-1 ou mn-1

En fait : g de X / g de X / h



X dt

dX

µ x

1

.=

Le X de 1/X = X moyen sur un dt petit



X

Représentebien la

valeurmoyenne

Ne représentepas la valeur

moyenne

temps

Bien vérifier que X varie linéairement sur le dt choisit





)ln(ln 12

t t

X X µ x

−

−=

en intégrant de t1 à t2

Temps

Ln X

Pente = µ

Ln X2

Ln X1

t1 t2

Méthode laplus simple etla plus fiablepour calculerµx.

Rel tion entre g et



Relation entre g et µx

)ln(ln

2ln).(

12

12

X X t t g−

−

=

)(

)ln(ln

12

12

t t

X X µ x

−

−

=

x µg 2ln=

Exploitation des mesures



Temps 0 1 2 3 4 5 6

Biomasse X 20 20 30 50 90 80 90

n , , , , , , ,

Tem s

Ln X





Conseils importants



Par le calcul

)ln(ln2ln).(

12

12

N N t t g−

−=

)ln(ln12

X X −

Graphiquement

)(12t t

x−

Paramètres de croissance à déterminer



Paramètres de croissance à déterminer

durée phase de latence : lag

vitesse spécifique de croissance : µx

temps de génération : g

Eventuellement :

concentration initiale : Xo

concentration finale : Xmax





1. Objectifs




3.3 influence de la température

EFFET de la TEMPÉRATURE sur laCROISSANCE



CROISSANCE

n c e

µ x

Optimale

Topt

Température

V i t e s

s e

d e

c r o i s s

Minimale

Tmin

Maximale

Tmax

En fonction T t



En fonction Topt

cryophiles

psychrophiles

mésophilesthermophiles

hyperthermophiles

pH ou T°

µ x





1. Objectifs





3.4 influence du pH

EFFET du pH sur la CROISSANCE



du p su a C O SS C

pH optimal

Gamme de pH

3 à 4 U pH

pHpHmaxpHmin

En fonction du pHopt



En fonction du pHopt

alcalinophiles

neutrophilesacidophiles

pH ou T°

µ x




C c ét ques c ob e es

1. Objectifs





3.4 influence du pH

3.5 autres facteurs de variation

Autres facteurs



composition nutritive du milieu

teneur en eau / P osmotique (= aw)Po2 / potentiel redox

densité de population )1( f X µX dt −=




q

1. Objectifs


4. Cinétique du substrat4.1 vitesse spécifique de consommation



réaction d’ordre 1

X µdS

r ss .==

D'où : X dt

dS µ s

1

.= En h-1 ou mn-1

En fait : g de S / g de X / h

Détermination de µs



µs

S X

X2

dSdSdS

dt

X = (X1+X2)/2

1

X dt

dS µ s

1.=




1. Objectifs


.

4.1 vitesse spécifique de consommation4.2 équation de Pirt

C’est pirtque tout !!!

Vitesse de consommation de S

BIOMASSE



SUBSTRAT

BIOMASSE

MAINTENANCE

Vitesse de

consommation du S

=

Vitesse de

consommation du Spour faire

X

+

Vitesse de

consommation du Spour la

maintenance

+

Vitesse de

consommation du Spour faire

P

PRODUIT(S)

Equation de Pirt



P

SP

X

S X

S µ

Y

m µ

Y X dt

dS µ .

'

1.

'

11.

/ /

++==

=

Y’ = rendement particulier / théorique ≠ Y

s

C6H12O6 2 CH3CH2OH + 2 CO2

180g 2x46 = 92g

Y’p/s = 92/180 = 0,511




1. Objectifs


.

4.1 vitesse spécifique de consommation4.2 équation de Pirt

4.3 influence de S sur x Leshhubstra

t…

Hips…

Ch’esttrè bon,ouaip !

Loi de Monod2max x x

S µ µ

++

=



µxmax

) / (

2

I K SSKs++

Inhibition par le substrat

SKs

S µ µ x x

+

= max

µxmax /2

Ki

Intérêt de Ks



espèce A : Ks = 1 mM ; µxmax = 0,5 h-1

espèce B : Ks = 0,1mM ; µxmax = 0,5 h-1

si S = 0,5 mM : …si S = 10 mM : …




1. Objectifs


.

5. Cinétique du produit5.1 vitesse spécifique de production

5 en 4 ans,faudrait queça cesse !



p X dt

dP

µ

1

.=

Détermination : comme pour µs

µ p = g de P formés par h et par g de biomasse




1. Objectifs


.

5. Cinétique du produit5.1 vitesse spécifique de consommation

5.2 association avec la croissance

Association avec la croissance



En réacteur fermé : 3 cas

X

temps

P X X P µY dt

dP. / =

Associé à la croissance

= métabolite primaireex : éthanol (levures)

.X

X

temps

P

X dt

dP. β =

Non associé à lacroissance = métabolitesecondaire

ex : antibiotiques

X

temps

P X µ

dt

dP X .. β α +=Association mixte .X+β.X




1. Objectifs


.

5. Cinétique du produit5.1 vitesse spécifique de consommation

5.2 association avec la croissance

5.3 inhibition de la croissance par les produits



I K

K

SK

S µ µ

I

I

S ++

= .maxP

exemples : éthanol (levures), acétate (E. coli )




1. Objectifs

2. Vue d’ensemble

3. Cinétique de la biomasse

.

5. Cinétique du produit6. Productivité

Calcul de la productivité en biomasse



Productivité volumique horaire = (Xf - Xo) / duréetotale

X (g/L) g de X / L / h

Durée totale du process = V : vidange ; N : nettoyage ; R :

remplissage ; S : stérilisation ; culture

Temps

(h)

Xo

Xf

0 V, N, R, S tculture

ensemencement

Calcul de la productivité en produit



Productivité volumique horaire = (Pf - Po) / duréetotale

P (g/L) g de P / L / h

Durée totale du process = V : vidange ; N : nettoyage ; R :

remplissage ; S : stérilisation ; culture

Temps

(h)

Po

Pf

0 V, N, R, S tculture

ensemencement

Productivité horaire totale



productivité horaire totale = ….






1. Objectifs

2. Vue d’ensemble


.


7. ‘Modes’ de culture7.1 discontinu = batch

Batch



milieu

inoculum

Vf

Xo, So, Po

Vf

Xo, So, Po

culture

Vf

Xo Xf

So Sf (0 en général)

Po Pf

Vf

Xf, Sf, Pf




1. Objectifs

2. Vue d’ensemble


.



7.2 discontinu alimenté = fed-batch





Alimentation en S

débi



débit constant

palier

V

Temps

V

variation continue du

débit (en fonction de X parex.)

Temps

V

Temps

Influence du débit d’alimentation sur X



Intérêts du fed-batch



évite inhibition par S

diminue latence meilleure productivité

permet changements de composition




1. Objectifs

2. Vue d’ensemble


4. Cinétique du substrat

5. Cinétique du produit

6. Productivité


7.2 discontinu alimenté = fed-batch

7.3 continu

continu



milieu

inoculum

Vf

Xo, So, Po

Vf

Xo, So, Po

culture en batch

Vf

Xo X

So S (0 en général)

Po P

Vf

X, S, P



alimentation + soutirage : V constant

Vf

X, S, P

Mode

batch Mode continu



V constant = même débit entrée et sortie

Débit d’entrée F (l/h) Débit de sortie F (l/h)

Vf

X, S, P

So X, S (≈0), P

Temps de séjour = V / F

Taux de dilution D = F / V

Jusqu’à...

P d i l



Contamination

Production voulue

Problème technique : colmatage...

Dérive de la souchemicrobienne

Avantages



productivité élevée

pas d’inhibition S ou P




1. Objectifs

2. Vue d’ensemble


4. Cinétique du substrat

5. Cinétique du produit

6. Productivité


7.2 discontinu alimenté = fed-batch7.3 continu

7.4 comparaison



Batch Fed batch Continu

PompePompe de soutirage



Pomped’alimentation Pompe

d’alimentation

ou surverse

FED BATCH

Ploc !

CONTINU CSTR

Plic !

BATCH FED-BATCH CONTINU

P simple

- productivité > batch

- pas de problèmed'inhibition par le S



P

O

U

R

-simple

- souple d'utilisation

- peu de problème

d'inhibition par le P

p

- contrôle possible du

métabolisme par variation

du S en cours

d'alimentation

- reste assez simple et

souple

- productivité très élevée

- fonctionne en continu

- peu d’inhibition S/P

CONTRE- productivité faible

- inhibition possible par le S

- inhibition possible par les

P

- r sques e con am na on ou

de dérive de la souche

- complexe à mettre en œuvre

U

T

I

L

IS

A

T

I

O

N

S

TY

P

E

S

- petites productions

- process lents

(fermentations alimentaires,

biodégradation sur plusieurs

jours…)

- précultures pour

bioréacteur industriel

- S solides (dépollution des

sols…)

- tout type de productionindustrielle

- traitement d'un S en continu

(STEP…)

- manipulation de grosvolumes à traiter ou à

produire)



Vue d’ensemble / cas général



Mesures in situ (sicapteurs)

Prélèvementet/ou

Mesure de S etP sur le

surnageant




1. Objectifs

2. Vue d’ensemble


.


7. ‘Modes’ de culture

8. Méthodes de mesure de X, S et P8.1 Mesure de la biomasse

Mesure du trouble



absorbance à 500-650 nm• zone de linéarité étroite

• rapide

• eu coûteux

sonde turbidimétrique (capteur)• linéarité plus étendue

• pas de prélèvement à faire

• enregistrement en continu

Mesure directe de la biomasse



microscopie (cellules eucaryotes)

ufcmatière sèche

• prélever V mL

• collecter les micro-organismes (filtration, centri)• laver le culot

• sécher → masse constante

Mesure d’une activité



consommation d’O2 (capteur)

production de CO2 (capteur)


1 Obj tif



1. Objectifs

2. Vue d’ensemble


.


7. ‘Modes’ de culture

8. Méthodes de mesure de X, S et P8.1 Mesure de la biomasse

8.2 Mesure de S et P



Fin







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