Microbiologie industrielle

Qu'est-ce que la microbiologie industrielle ?

Selon la Society for Industrial Microbiology and Biotechnology, la microbiologie industrielle peut être définie comme, La microbiologie industrielle comprend donc des domaines tels que :

• La production de vin et de bière
• les produits pharmaceutiques
• Services de diagnostic et de test
• Produits agricoles
• Enzymes industrielles

Aperçu historique de la microbiologie industrielle

Sans le savoir, les êtres humains utilisent des micro-organismes depuis des milliers d'années. Les Égyptiens utilisaient de la levure pour faire de la pâtisserie et les Chinois se servaient de moisissures et d'autres micro-organismes pour fermenter les aliments. Les événements marquants de l'histoire de la microbiologie industrielle sont les suivants : Au 20ème siècle, les progrès de la biologie génétique et moléculaire ont donné naissance à la biotechnologie moderne. Par conséquent, le champ d'application de la microbiologie industrielle s'est élargi. Désormais, elle ne concerne plus seulement les processus traditionnels de fermentation et de traitement des déchets, mais inclut également le génie génétique et d'autres applications technologiques modernes.

Applications de la microbiologie industrielle

Les micro-organismes ont été largement utilisés dans certains domaines de l'activité industrielle. Ces activités comprennent la production de produits pharmaceutiques, d'aliments, de boissons, de biotechnologies et même de produits de nettoyage et dépendent fortement du travail de ces minuscules créatures.

Rôle de la microbiologie industrielle dans les soins de santé

Il est fascinant de constater la contribution de la microbiologie industrielle aux soins de santé. Les produits de santé tels que les vaccins, les antibiotiques, l'insuline et d'autres médicaments sont tous produits industriellement grâce à l'utilisation de processus microbiens. Le premier antibiotique largement utilisé a été la pénicilline, dérivée de la moisissure Penicillium. Alexander Fleming l'a découverte en 1928. La production à grande échelle de ce "médicament miracle" a toutefois commencé dans les années 1940, après l'application des procédés de microbiologie industrielle. De plus, des bactéries génétiquement modifiées ont été utilisées pour produire de l'insuline, ainsi que d'autres protéines à usage médical.

La microbiologie industrielle dans l'agriculture et la production alimentaire

La microbiologie industrielle a des applications significatives dans l'agriculture et la production alimentaire. Les micro-organismes sont utilisés dans la production d'aliments fermentés lorsque leur activité entraîne un changement souhaitable dans le produit final. Cela comprend les aliments et les boissons comme le fromage, le yaourt, le pain, le vin et la bière. Les micro-organismes ont également un rôle important à jouer dans l'agriculture. Certaines bactéries comme Rhizobium vivent dans les nodules des racines des légumineuses et fixent l'azote atmosphérique sous une forme utilisable par la plante. L'utilisation de cet "engrais biologique" réduit considérablement le besoin d'engrais chimiques azotés. Enfin, les micro-organismes sont utilisés dans la production de biocarburants et sont essentiels dans les processus de traitement des déchets, convertissant les déchets organiques en substances inoffensives telles que le dioxyde de carbone, l'azote et l'eau.

Les processus de la microbiologie industrielle

En microbiologie industrielle, deux grands types de procédés sont principalement utilisés pour cultiver les micro-organismes et fabriquer les produits souhaités : le procédé discontinu et le procédé continu. Ces deux méthodes présentent des caractéristiques, des avantages et des inconvénients uniques. Les microbiologistes industriels choisissent la bonne méthode en fonction des exigences spécifiques du produit et des caractéristiques des micro-organismes impliqués.

Processus par lots en microbiologie industrielle

En outre, dans le traitement par lots, une quantité isolée et fixe de solution nutritive est ajoutée au système au début du processus. Les micro-organismes, après inoculation, commencent à se développer et à produire les produits souhaités. Une fois la solution nutritive épuisée, on procède à la récupération du produit et on nettoie le système ou le fermenteur avant de commencer le lot suivant. Le traitement par lots nécessite différentes phases pour son exécution :

• Phase de latence: Une période d'adaptation où les micro-organismes s'adaptent au nouvel environnement.
• Phaselogarithmique ou phase exponentielle: La croissance des micro-organismes est la plus rapide et le substrat (solution nutritive) est utilisé au maximum. La formation du produit désiré démarre également au cours de cette phase.
• Phase stationnaire: La croissance des micro-organismes s'arrête en raison d'une diminution des nutriments et d'une augmentation des déchets. Le taux de production de nouvelles cellules est égal au taux de cellules mourantes.
• Phase de mort: L'épuisement des nutriments et un environnement toxique dû aux déchets entraînent la mort des micro-organismes.

Le traitement par lots a l'avantage d'être simple et de nécessiter un investissement initial moindre. Cependant, ses principaux inconvénients sont le fonctionnement non continu, l'irrégularité de la qualité du produit et la nécessité d'un nettoyage intermittent.

Processus continu en microbiologie industrielle

Le processus continu, quant à lui, est différent du traitement par lots dans le sens où il fonctionne indéfiniment grâce à l'apport continu de nutriments et à l'élimination des produits. Ce procédé permet d'éviter la phase de latence et la phase de mort observées dans le traitement par lots, ce qui permet d'augmenter la productivité. La fermentation continue est largement adoptée pour la production d'alcool, d'acides organiques, de solvants et de certains métabolites secondaires. L'un des avantages significatifs de la fermentation continue est l'augmentation de la productivité due à l'élimination des temps d'arrêt pour le nettoyage et la mise en place. Elle garantit également une production régulière et de haute qualité. Cependant, les inconvénients sont que les systèmes de fermentation continue nécessitent des systèmes de contrôle et de surveillance compliqués et présentent un risque plus élevé de contamination sur une longue période. Dans l'ensemble, les deux procédés ont des applications et des avantages spécifiques. Le choix du type de procédé dépend de facteurs tels que le type de micro-organisme, le produit, la durée du procédé, les avantages opérationnels et les coûts d'installation et d'exploitation. La compréhension de ces deux procédés fait partie intégrante de la microbiologie industrielle et est essentielle à la conception et au fonctionnement des bioréacteurs dans l'industrie.

Produits de Microbiologie Industrielle

La microbiologie industrielle offre un large éventail de produits qui trouvent leur utilité dans diverses industries et dans la vie de tous les jours. La magie réside dans l'exploitation des propriétés spécifiques des micro-organismes pour la production à grande échelle de ces produits. Les produits sont utilisés dans des secteurs tels que les soins de santé, la transformation des aliments, l'agriculture et la gestion de l'environnement. Parmi les produits clés, on trouve les antibiotiques, les enzymes, les biocarburants, les aliments fermentés, les probiotiques et même des produits plus complexes, issus du génie génétique, comme l'insuline.

Production d'antibiotiques en microbiologie industrielle

Les antibiotiques ont révolutionné les soins de santé et ouvert une nouvelle ère dans la science médicale. Une part importante de la production d'antibiotiques est une application ingénieuse de la microbiologie industrielle. Le processus consiste à cultiver des moisissures ou des bactéries spécifiques, ce qui conduit à la production de substances antibiotiques. À la base, les antibiotiques sont des métabolites secondaires produits par des micro-organismes pour combattre d'autres micro-organismes dans leur environnement naturel. C'est pourquoi les microbiologistes industriels utilisent des souches d'organismes qui sont de grands producteurs de ces métabolites secondaires. Le processus commence par la recherche et l'identification d'une souche puissante, suivie de sa mutation et de la sélection d'une souche améliorée à haut rendement. Les antibiotiques comme la pénicilline et la céphalosporine sont des produits des moisissures Penicillium et Cephalosporium respectivement. Ces moisissures sont cultivées dans de grandes cuves de fermentation dont la température, l'aération et les conditions stériles sont contrôlées. Les cuves sont remplies de milieux de culture qui fournissent les nutriments nécessaires, et les moisissures produisent des antibiotiques sous forme de métabolites secondaires. Les antibiotiques produits sont ensuite séparés du bouillon de fermentation, purifiés et convertis en formes posologiques. Le processus nécessite un contrôle de qualité important puisque les produits sont utilisés dans les soins de santé.

Production industrielle d'enzymes

Les enzymes sont des molécules de protéines qui catalysent les réactions biochimiques. Elles sont essentielles à divers processus industriels et sont produites en utilisant l'activité métabolique des micro-organismes. La production industrielle d'enzymes implique la sélection d'un micro-organisme producteur d'enzymes, le développement d'un environnement optimal pour la production d'enzymes, puis l'extraction et la purification des enzymes. La production d'enzymes dépend en grande partie de la nature de l'organisme utilisé et de ses conditions environnementales. Des facteurs tels que la température, le pH, l'aération et la concentration de nutriments peuvent avoir un impact significatif sur la production d'enzymes. Le processus industriel vise donc à maintenir des conditions optimales pour une production maximale d'enzymes. Les enzymes sont ensuite récoltées dans le bouillon de fermentation, séparées et purifiées avant d'être converties en un produit adapté à leur application. Les enzymes trouvent leur application dans divers secteurs. Par exemple, les enzymes protéases sont utilisées dans les détergents pour décomposer les taches à base de protéines, tandis que les enzymes amylases et cellulases sont utilisées dans l'industrie du papier pour décomposer respectivement l'amidon et la cellulose. La production industrielle d'enzymes et d'antibiotiques sont deux exemples marquants de la contribution de la microbiologie industrielle aux secteurs de la santé et de la biotechnologie. Chaque processus implique la sélection, l'optimisation et la gestion de cultures microbiennes dans un environnement soigneusement contrôlé afin d'obtenir des produits fiables et de haute qualité.

Microbiologie industrielle et biotechnologie

La microbiologie industrielle et la biotechnologie se complètent pour apporter de nouvelles solutions à des défis complexes dans différents domaines. La biotechnologie, une discipline plus large, implique l'utilisation de processus, d'organismes ou de systèmes biologiques pour fabriquer des produits. D'autre part, la microbiologie industrielle, une branche essentielle de la biotechnologie, utilise des micro-organismes pour la production de ces produits précieux. Ensemble, ils peuvent apporter des avantages significatifs, notamment des avancées médicales, la durabilité de l'environnement et la productivité agricole. La bioinformatique et le génie génétique sont deux outils essentiels qui ont de profondes implications en microbiologie industrielle.

La bioinformatique en microbiologie industrielle

La bio-informatique est l'application de la technologie informatique à la gestion des données biologiques. Dans le contexte de la microbiologie industrielle, les outils bioinformatiques permettent d'annoter, de stocker, de récupérer, d'organiser, d'analyser, de partager et de visualiser des ensembles de données complexes associés à la microbiologie. La bio-informatique joue un rôle essentiel dans l'identification des gènes microbiens, la compréhension de leurs fonctions, la prédiction de leurs interactions et la révélation de leur rôle dans la production de produits de valeur. Elle traite du séquençage génomique, de l'analyse protéomique, de la construction de voies métaboliques et d'une série d'autres analyses complexes. Les processus de microbiologie industrielle tels que l'amélioration des souches, l'ingénierie des protéines, l'optimisation de la fermentation, peuvent grandement bénéficier de la bioinformatique. Par exemple, les outils bioinformatiques peuvent aider à prédire le taux métabolique d'une souche, ce qui permet d'élaborer des stratégies d'amélioration des souches plus efficaces. En outre, la bioinformatique joue un rôle essentiel dans l'amélioration de notre compréhension de la diversité et de l'écologie microbiennes, contribuant ainsi au développement de meilleures stratégies de gestion de l'environnement et des déchets. Voici quelques applications clés de la bioinformatique dans le domaine de la microbiologie industrielle :

• Annotation du génome microbien : Avec l'apparition des techniques de séquençage à haut débit, on assiste à une explosion des données sur le génome microbien. Les outils bioinformatiques permettent d'annoter ces séquences génomiques, d'identifier les gènes et de prédire leurs fonctions. Cela facilite la sélection et la manipulation des microbes pour des applications industrielles spécifiques.
• Analyse protéomique : La bio-informatique permet d'étudier l'ensemble des protéines qu'un microbe peut produire. La compréhension de ces protéines peut aider à la conception de processus industriels qui exploitent ces protéines.
• Construction de voies métaboliques : La bio-informatique permet de cartographier et d'analyser les voies métaboliques des microbes. Cela permet d'optimiser les microbes pour une production maximale dans les industries.

Le génie génétique en microbiologie industrielle

Le génie génétique implique la manipulation directe des gènes d'un organisme à l'aide de la biotechnologie. Il offre des solutions prometteuses pour amplifier le rendement et l'efficacité des produits en microbiologie industrielle. Le génie génétique, utilisé à fond en microbiologie industrielle, permet de concevoir et de construire de nouvelles pièces, de nouveaux dispositifs et de nouveaux systèmes biologiques. En outre, il permet de reconcevoir des systèmes biologiques naturels existants à des fins utiles. Les microbes peuvent être génétiquement modifiés pour améliorer leur capacité à produire les produits souhaités en plus grande quantité ou pour introduire des voies de production entièrement nouvelles. Les principales applications du génie génétique en microbiologie industrielle sont les suivantes :

• Production d'insuline synthétique : en insérant le gène responsable de la production d'insuline dans une bactérie, celle-ci peut produire de l'insuline humaine à grande échelle.
• Amélioration des souches : Les micro-organismes peuvent être génétiquement modifiés pour améliorer leur efficacité dans la formation de produits. Par exemple, les souches de levure utilisées dans les industries brassicoles sont souvent génétiquement modifiées pour améliorer leur tolérance à l'alcool, augmentant ainsi le rendement net de l'alcool.
• Applications environnementales : Les microbes peuvent être génétiquement modifiés pour dégrader des polluants spécifiques, ce qui permet de traiter les déchets industriels ou les marées noires.

Le génie génétique sert d'accélérateur à l'amélioration des capacités des microbes. Par essence, la bioinformatique et le génie génétique servent de catalyseurs pour accroître l'efficacité, la portée et le potentiel de la microbiologie industrielle. Ensemble, ils créent des synergies qui stimulent les innovations et les développements en biotechnologie à l'échelle mondiale.

Processus de fermentation en microbiologie industrielle

La fermentation joue un rôle central en microbiologie industrielle. Il s'agit d'un processus anaérobie dans lequel les substances organiques sont décomposées par des micro-organismes. Il est largement utilisé pour produire une gamme variée de produits, notamment des biocarburants, des acides organiques, des enzymes, des aliments fermentés et de l'alcool. Le processus vise à optimiser les conditions de croissance des micro-organismes sélectionnés, en leur offrant un environnement idéal pour effectuer les réactions de fermentation.

Importance de la fermentation en microbiologie industrielle

On ne saurait trop insister sur l'importance de la fermentation en microbiologie industrielle. Non seulement elle permet de fabriquer une multitude de produits qui touchent à presque tous les aspects de la vie humaine, mais elle exploite également des moyens écologiques, en utilisant des ressources renouvelables pour fabriquer des produits biosourcés. Dans le domaine de la santé, la fermentation est à la base de la production d'antibiotiques, de vaccins et d'autres protéines thérapeutiques. Un exemple notable est la production d'insuline pour le traitement du diabète. Au lieu d'extraire l'insuline du pancréas des animaux, la technologie de l'ADN recombinant permet d'insérer les gènes de l'insuline humaine dans des bactéries comme Escherichia coli, et en utilisant le processus de fermentation, ces bactéries produisent de l'insuline humaine à grande échelle. De plus, les aliments fermentés comme le fromage, le yaourt et les boissons fermentées doivent leur existence au processus de fermentation. Dans ces cas, des bactéries bénéfiques sont nourries pour fermenter les sucres et produire diverses gammes de produits laitiers, chacun ayant un goût, une texture et des avantages nutritionnels distincts. Dans le domaine des énergies renouvelables, le processus de fermentation est vital pour la production de biocarburants comme l'éthanol et le biodiesel. L'utilisation de micro-organismes pour fermenter la biomasse en de tels carburants est une alternative durable aux combustibles fossiles, qui permet d'atténuer les émissions de gaz à effet de serre et d'exploiter des ressources renouvelables.

Types de techniques de fermentation en microbiologie industrielle

Il existe différents types de techniques de fermentation déployées en microbiologie industrielle, chacune adaptée aux besoins du produit spécifique et aux caractéristiques du micro-organisme impliqué.

• Fermentation par lots : Il s'agit d'un processus en système fermé dans lequel le milieu de fermentation et les micro-organismes sont placés à l'intérieur d'un fermenteur au départ, et il n'y a plus d'ajout ou de retrait de matière jusqu'à la fin de la fermentation. Le processus est répété en cycles successifs appelés lots. Il s'agit d'une installation simple dont les coûts d'exploitation sont faibles et qui est largement utilisée dans la production d'alcool et d'acides organiques.
• Fermentation fed-batch : Semblable à la fermentation par lots, mais avec une distinction majeure : des nutriments sont ajoutés pendant le processus. Cela garantit un apport continu de nutriments pour la croissance microbienne, évitant ainsi l'épuisement des nutriments. Elle est couramment utilisée dans le processus de production d'antibiotiques et d'enzymes.
• Fermentation continue : Dans ce processus, un milieu frais est continuellement fourni tandis que le milieu fermenté est continuellement retiré. Cela permet d'assurer un état stable de la croissance microbienne. Il est particulièrement bénéfique pour les produits qui sont sécrétés de façon extracellulaire. Cependant, elle nécessite un contrôle strict des conditions environnementales, ce qui peut potentiellement la rendre plus coûteuse que la fermentation par lots ou fed-batch.

Le tableau ci-dessous illustre une comparaison entre les trois types de techniques de fermentation : En conclusion, chaque technique de fermentation présente ses propres avantages et inconvénients, et le choix de la technique dépend fortement des spécificités du processus, de la nature du produit et du micro-organisme, et de la faisabilité industrielle des opérations.