fermentation
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Cycle du Carbone Carbone et quelques applications biotechnologiques Carbone et quelques applications biotechnologiques I : Le cycle du Carbone II : Synthèse d’exopolysaccharides microbiens III : La méthanogénèse I – Le cycle du carbone : forme simplifiée Processus aérobie Formes minérales CO Processus anaérobie CO2 HETEROTROPHES Respiration, décarboxylation, fermentation … De très nombreux micro-organismes AUTOTROPHES Organismes photosynthétiques, algues vertes, cyanobactéries (CH2O)n Formes organiques I – Le cycle du carbone : CO2 Chimioautotrophes méthanogènes phototrophes CH4 H2O RESPIRATION FERMENTATION méthylotrophes O2 Biomasse microbienne Animaux NUTRITION NUTRITION Algues, Bactéries, plantes méthylotrophes FERMENTATION Excrétion Mort / dégradation NUTRITION Hétérotrophes (Saprophytes) CH4 méthanogènes Mort / dégradation Réserve de C organique C organique Production de la matière organique Fixation autotrophe Cycle de Calvin / rubisco (phase obscure de la photosynthèse) Cycle de l’oxaloacétate (inverse du cycle de Krebs) Assimilation hétérotrophe Dégradation de la matière organique : les polymères Deux fonctions : énergie, structure Décomposition des polymères : variable selon leurs structures Amidon : facile, tout type de microorganisme Cellulose, lignine : très abondant mais peu de microorganismes peuvent les dégrader Aérobiose : Trichoderma (moisissure), Cytophaga (bactérie) Anaérobiose : Clostridium thermocellum (compostage) Dégradation de la matière organique : les monomères Glucides : Acides aminés : Glycolyse , Entner Doudoroff, HMP Aérobiose : décarboxylation oxydative Anaérobiose : fermentations : divers produits Transamination Désamination, décarboxylation Lipides b oxydation, glycolyse (glycérol en aérobiose) II – Les exopolysaccharides microbiens Homo ou hétéro polymères Sous forme de capsule ou en gel (slime) autour de la cellule Rôles : Protection / dessiccation, système immunitaire (pathogène), virus, produits chimique Facilite l’attachement aux surfaces Réserve de carbone et d’énergie Exemples d’exopolysaccharides microbiens Alginate Hétéropolymère linéaire d'acide L-guluronic et D-mannuronic contenant quelques groupement O-acetyl Pseudomonas Azotobacter vinlandii Stabilisant IAA texturant dans industrie papetière et textile Cellulose Homopolymère : b 1-4 glucane Acetobacter xylinum Peau artificielle temporaire : traitement des brûlés et chirurgies membrane acoustique ingrédient alimentaire Chitine Homopolymère : N acetyl glucosamine et ces dérivés déacétylés (chitosane) Paroi des champignons Actuellement carapace des crustacés + rapide d'extraire à partir des champignons agent chélatant : conservateur et clarifiant Curdlane Homopolymère : b 1-3 glucane Alcaligenes Agrobacterium Utiliser au japon comme agent gélifiant dans de nombreuses préparations alimentaires (non homologué en EU et US) Leuconostoc mesenteroïdes Supplément plasmatique Dextrane Cas de la production de xanthane Xanthomonas campestris Petit bacille Gram , aérobie, mobile Parasite de nombreuses plantes (riz, choux, citron) Producteur de xanthane (gomme) Xanthane Gel stable à hautes températures 20.000 tonnes /an Agent gélifiant et stabilisant : (E415) sauce salade, crème glacée, pâte dentifrice, cosmétiques, peintures à l’eau Lubrifiant de forage Schéma de la production de xanthane Milieu :riche Fed Batch STR 50 à 200 m3 Réalisation de l'inoculum (préculture) Facteurdéveloppement deà 0.05 la h-1) limitant : N (D : 0.025 biomasse Aération : 1 vvm Source de C : amidon, dextrines, Ensemencement à 5% (v/v) Fermentation mélasse, lactosérum, sirop de maïs, … Source d’N : caséine, farine de poisson, sels d’ammonium, peptones, corn steep, urée, … Pasteurisation du moût Ajout de solvants Précipitation de la gomme Température : 28 à 30°C pH : 7 Durée : 3 jours Recyclage du solvant Centrifugation ou filtration Purification de la gomme Séchage sur filtre rotatif ou vaporisation développement des Métabolite propriétés des xanthanes partiellement associé 25 à 50 g/L Conditionnement III – La méthanogènèse et la transformation des déchets Biomasse valorisable Plantes aquatiques & terrestres Déchets animaux : fumier, lisier, fiente … Déchets humains : boues des stations, ordures ménagères, matières de vidanges, … Déchets industriels Techniques de valorisation Conversion chimique ou enzymatique Bioproduction Fermentation Aérobie : compostage, formation de POU Anaérobie : méthanique, éthanolique, cétobutyrique Les étapes de la fermentation anérobie Macro-molécules Hydrolyse enzymatique Clostridium Bacillus B acidogènes Hydrolyse et acidogenèse Monomères B acidogènes Acides organiques, alcools... Acétogenèse B acétogènes CO2 + H2 Acétate B Méthanogènes acétoclastes CH4 + CO2 B homoacétogènes B méthanogènes hydrogénophiles CH4 Méthanogenèse Bactéries aérobies facultatives ou anaérobies Bactéries acétogènes Homo-acétogènes : Bactéries syntrophes Clostridium, Acetobacterium Production uniquement d’acétate à partir de de CO2 ou de substrat carboné Pression partielle en H2 très basses Vie en association avec bactéries méthanogènes hydrophiles & bactéries sulfatoréductrices Bactéries sulfatoréductrices Exemples de réactions de conversion dans les écosystèmes anaérobies Réactions Énergie libre G° (kJ) Bactéries hydrolytiques lactate + H2 ――> propionate + H20 - 79,9 glucose + 4H20 ――> 2 acétate- + 2 HC03- + 4H+ + 4H2 -206,3 Bactéries acétogènes productrices d'hydrogène propionate- + 3H20 ――> acétate- + HC03-+ H+ +3H2 + 76,1 butyrate- + 2H20 ――> 2 acétate- + H++ 2H2 + 48,1 éthanol + H20 ――> acétate- + H+ + 2H2 + 9,6 Bactéries méthanogènes HC03- + 4H2 + H+ ――> CH4 + 3H20 -135,6 acétate- + H20 ――> CH4 + HC03- - 31,0 Fermentation méthanique Bactéries autotrophes Bactéries hétérotrophes Homoacétogène Méthanogènes hydrogénophiles (tractus intestinal des ruminants) Méthanogènes acétoclastes (70% de la production de biogaz) Voies productrices d’énergie chimique Équivalence énergétique 1,7 L d'alcool à brûler 1,15 L d'essence 0,94 m3 de gaz naturel 9,7 kW/h d’électricité 1 m3 de méthane 8 570 kcal 1 L de mazout 1,3 kg de charbon 2,1 kg bois 1 kg de glucose = 814L de gaz : CH4 & CO2 (v/v)
