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Bioingenieurie et microbiologie industrielle 1 Bioingenieurie et microbiologie

Bioingenieurie et microbiologie industrielle 1 Bioingenieurie et microbiologie industrielle Bio-ingénierie • est l’application des principes et des méthodes de l’ingénierie aux domaines Microbiologie industrielle • couvre l'ensemble des procédés de bioconversion ou biosynthèse réalisé par un microorganisme 2 Bioingenieurie et microbiologie industrielle 3 Bioingenieurie et microbiologie industrielle 01 • L'obtention des microorganismes en quantité importante (production de biomasse cellulaire) • L'obtention des produits sécrétés naturellement par les microorganismes (enzymes et métabolites) 02 • La transformation des produits complexe en éléments simples (traitement des eaux usés, valorisation des déchets industriels) • favoriser une flore utile au détriment d'une flore indésirable afin de prévenir les risques sanitaires pouvant survenir chez les consommateurs puisque certaines fermentations susceptibles de se produire dans des denrées alimentaires sont indésirables. 4 développement Recherche Industrialisation Bioingenieurie et microbiologie industrielle 5 Bioingenieurie et microbiologie industrielle Les Fermenteurs ou Bioréacteurs permettent de fournir un environnement contrôlé voir régulé, pour la croissance des micro-organismes et/ou la production de métabolites. 6 Dans les systèmes de fermentation en phase liquide, trois procédés peuvent être utilisés : Bioingenieurie et microbiologie industrielle 7 Bioingenieurie et microbiologie industrielle 8 Bioingenieurie et microbiologie industrielle 9 Bioingenieurie et microbiologie industrielle Chapitre 01: Fermentation et fermenteur. Chapitre 02: Cinétique microbienne.Programme de la matière Partie 01: microbiologie industrielle Chapitre 01: Microorganismes d’intérêts industriel et leurs caractéristiques. Chapitre 02: Exemples des produits industriels. Partie 02: bio-ingénieurie Partie 03: exemples des production industrielle. 10 Bioingenieurie et microbiologie industrielle Partie 01: microbiologie industrielle 2. Microorganismes d’intérêts industriel 1.Microbiologie industrielle Produits visés Question: quel est la différence entre la microbiologie industrielle et la biotechnologie microbienne? Microorganisme Grande échelle Métabolismes spécialisés Produits avec rendement élevés Modification génomique Collections nationales 11 Bioingenieurie et microbiologie industrielle Partie 01: microbiologie industrielle 4. Microorganismes industriels 3.Propriétés des microorganismes d’interêt industriel Produire la substance d’interet Pathogène, pouvoir être manipulé génétiquement et stable… Produire des cellules ou spores Pouvoir croitre dans des milieu Bactéries lactiques Bactéries acétiques Actinomycètes Levures Moisissures 12 Bioingenieurie et microbiologie industrielle Partie 01: microbiologie industrielle 4.1. Bactéries lactiques 4. Microorganismes industriels les bactéries lactiques occupent une place importante dans le secteur agroalimentaire (industrie laitière, charcuterie, œnologie…). Les probiotiques sont des produits à base de microorganismes vivants qui, ingérés en quantités déterminées engendrent un effet bénéfique pour l’hôte. Les bactéries lactiques produisent une grande variété de peptides ayant une activité antibactérienne. Ces molécules appelées bactériocines sont utilisées pour assurer la sécurité sanitaire des produits laitiers. La nisine, par exemple, est une bactériocine produite par des souches de Lactococcus. Elle permet de lutter contre le gonflement butyrique des fromages fondus et pour inhiber la croissance de germes pathogènes comme Listeria monocytogenes ou Staphylococcus aureus dans certains fromages (des camemberts ont été fabriqués avec des souches produisant de la nisine).gravement perturbées phages 13 4.2. Bactéries acétiques Bioingenieurie et microbiologie industrielle Partie 01: microbiologie industrielle 4. Microorganismes industriels Présentes naturellement sur les fruits, dans l'air, dans le vin, les bactéries acétiques appartiennent, en majorité, exemples: genre Acetobacter. Gluconobacter Ces bactéries oxydent l’éthanol en acide éthanoïque. Elles interviennent notamment lors de la fabrication du vinaigre. L'acétification se déroule en aérobiose et aux alentours de 25°C. Domaine Bacteria Phylum Protebacteria Classe Alphaproteobacteria Ordre Rhodospirillales Famille Acetobacteraceae Genres Acetobacter Gluconobacter Espèces Acetobacter aceti Gluconobacter oxydans Bactérie aérobie, capable d'oxyder l'alcool éthylique en acide acétique intervenant dans l'élaboration du vinaigre et responsable d'une altération des boissons alcoolisées 14 4.3. Actinomycètes Bioingenieurie et microbiologie industrielle Partie 01: microbiologie industrielle 4. Microorganismes industriels Les Streptomyces sont des eubactéries filamenteuses, Gram-positives vivant dans le sol. Ce genre bactérien est caractérisé par une morphologie proche de celle des champignons filamenteux (production de spores de dissémination). Il s’agit du genre microbien le plus riche en producteurs de métabolites secondaires (antibiotiques, antifongiques, antitumoraux, insecticides). Actinomycètes sont des Gram-positives formant généralement des hyphes ramifiés et des spores asexuées. La chimie de leur paroi, en particulier celle du peptidoglycane, la séquence de l' ARNr 16S et la forte teneur en G+C de leur ADN (70%) xylanase β-lactamase amylase caséinase 15 4.4. Levures Bioingenieurie et microbiologie industrielle Partie 01: microbiologie industrielle 4. Microorganismes industriels Si l'utilisation des levures pour la panification et la vinification est connue depuis l'époque préhistorique, la compréhension des mécanismes en jeu date des travaux de Pasteur au XIXe siècle. Elles sont aujourd’hui utilisées pour la production de vitamines, d’enzymes, de biocarburants… L'utilisation des levures recouvre plusieurs secteurs Boulangerie et produits de panification La levure de boulangerie est Saccharomyces cerevisiae. Production : 1,7 million de tonnes /an. Substrat : mélasse de canne ou de betterave. Procédé : aérobie car on produit de la biomasse et continu, pour ajuster la [glucose] à une valeur faible mais permettre un apport continu. Les levures sont concentrées par centrifugation puis filtration, le « gâteau » obtenu est à environ 30% de matières sèches et se conserve quelques semaines à 4°C. 16 4.4. Levures Bioingenieurie et microbiologie industrielle Partie 01: microbiologie industrielle 4. Microorganismes industriels Brasseries Les levures utilisées en brasserie sont du genre Saccharomyces. Saccharomyces cerevisiae classiquement; fermentation dite haute car la levure reste en surface : réalisée à 18-22°C. Saccharomyces carlsbergensis : fermentation dite basse car la levure flocule en fin de fermentation : réalisée à 7-15°C. Vinification Distillerie et spiritueux Levures-aliments Produits dérivés des levures Ethanol industriel et carburant Une levure est riche en vitamines (B) et en protéines, donc en acides aminés (notamment lysine, les acides aminés soufrés) et peut être utilisée comme additif alimentaire. Apport aussi d'acides gras insaturés. Substrat utilisé = lactosérum. Le % protéines obtenu (matière sèche) varie de 35 à 55% . Levures utilisées pour le production de protéines recombinantes (vaccin contre l'hépatite B, la chymosine). 17 4.5. Moisissures Bioingenieurie et microbiologie industrielle Partie 01: microbiologie industrielle 4. Microorganismes industriels Les moisissures sont connues principalement en tant qu’agents responsables de l’altération des aliments. Elles sont cependant utiles pour la production d’antibiotiques (Penicillium chrysogenum, Cephalosporium acremonium), d’enzymes (Aspergillus niger), d’acide citrique (Aspergillus niger), de protéines alimentaires (Fusarium graminearum). Elles interviennent également dans diverses fabrications (fromages). Intérêt industriel des moisissures Actuellement, les moisissures jouent un rôle primordial dans divers domaines d’applications ; elles sont utilisées dans les industrie alimentaires, chimiques, la biolixiviation et la biotransformation, etc 18 Les champignons filamenteux sont des producteurs importants d’acides organiques tels que l’acide gluconique, l’acide malique, l’acide acétique et l’acide citrique Les enzymes fongiques restent toujours les outils clés de la biotechnologie Les champignons filamenteux sont des grands producteurs d’antibiotiques tel que la pénicilline produite par le genre Penicillium et la céphalosporine produite par Cephalosporium. Cependant les acides organiques d’origine fongique n’ont pas une application pharmaceutique importante. Les premiers produits d’origine fongique en médecine sont les alcaloïdes de l’ergot de seigle (ergotamine), utilisés en gynécologie Il s’agit essentiellement de l’utilisation des protéases alcalines d’Aspergillus oryzae et de Stachybotrys chartarum dans les détergents. La production de cellulase par Aspergillus niger et Trichoderma harzianum présente une diversité d’applications industrielles, où 48% de sa production par ces deux espèces fongiques et le genre Penicillium est utilisée pour l’industrialisation des papiers et les textules. Certains genres fongiques tels que Aspergillus, Mucor et Penicillium sont capables de produire des lipides en quantités importantes et constituent une source potentielle d’utilisation chimique. 19 Bioingenieurie et microbiologie industrielle Partie 01: microbiologie industrielle 5. Etapes d’avoir des Microorganismes industriels 5.1. Sélection Les premières souches utilisées en microbiologie industrielle avaient pour origine le sol, l’eau, les aliments avariés… L’utilisation industrielle des microorganismes exige l’obtention de souches pures. Chacune de ces souches est donc isolée sur milieu solide puis caractérisée. Les caractères morphologiques, culturaux, biochimiques, antigéniques, lysotypiques et moléculaires sont confirmés suite à des réisolements successifs. Une fois qu’un microorganisme convenable est sélectionné, il est cultivé de façon à assurer la production des métabolites désirés. 20 Bioingenieurie et microbiologie industrielle Partie 01: microbiologie industrielle 5. Etapes d’avoir des Microorganismes industriels 5.2. Amélioration Dès la découverte d’une souche prometteuse, on utilise pour l’améliorer des techniques de mutagenèse chimique ou physique (ultra-violets). Par exemple, les premières cultures de Penicillium notatum ne produisaient que de faibles quantités de pénicilline, en culture statique. En 1943, on isola une souche de Penicillium chrysogenum qui après plusieurs améliorations, présente un rendement 55 fois supérieur à la culture originale, la production ayant lieu dans de grands fermenteurs à agitation rotative. Actuellement, l’utilisation des techniques de l’ADN recombinant permettent d’améliorer les souches productrices de façon beaucoup plus ciblée. fusion de protoplastes 21 AMÉLIORATION PAR MODIFICATION DES SOUCHES Les stratégies d’amélioration visent à accroître la concentration finale en produit, à réduire la production de co-métabolites indésirables. Des considérations telles que le mode d’utilisation des souches productrices sont aussi prises en compte. Deux grandes catégories d’approches sont utilisées pour l’amélioration : la mutagenèse aléatoire et le génie métabolique 22 La mutagenèse aléatoire ne nécessite pas de connaissance préalable, ni du génome ni de la physiologie des souches traitées. La mutagenèse induit des modifications génétiques au sein du génome sans que la localisation de ces dernières puisse a priori être connue. Le génie métabolique peut être défini comme l’amélioration des potentialités d’une cellule par la manipulation de fonctions enzymatiques bien ciblées, grâce à l’emploi de la uploads/Industriel/ bioingenierie-et-microbiologie-industrielle.pdf