WO2014118757A1 - Dispositif de fermentation en milieu solide et produits obtenus - Google Patents

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  • Suitable dimensions of the bioreactor correspond, for example, to
  • the inner casing (2) shown in Figure 2 is the heart of the fermentation system. Its size is variable according to the internal dimensions of the external mold.

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Abstract

L'invention vise un dispositif de fermentation en milieu solide (FMS), caractérisé en ce qu'il comporte - un moule externe rigide (1) -une partie interne constituant une chambre de fermentation (2), amovible, à usage unique, constituée d'une matière souple et comprenant 2 parties, - la partie inférieure (8), ou chambre basse, plus dure, de forme quasi-identique à celle du récipient (3), - la partie supérieure (10) ou chambre haute destinée à renfermer la matière à fermenter, formée d'une matière plus souple, son volume utile étant supérieur à celui de la partie inférieure, - des moyens d'aération étant prévus entre ces 2 parties.

Description

Dispositif de fermentation en milieu solide et produits obtenus
L'invention a pour objet un dispositif de fermentation en milieu solide et ses applications pour produire notamment des biomasses et/ ou des métabolites fongiques.
La Fermentation en Milieu Solide (FMS) est généralement définie comme la culture de microorganismes sur un support solide en absence ou presque-absence d'eau libre. Elle est à la fois ancestrale et innovante puisque économe en eau. Elle est tout à fait adaptée à la biologie des champignons filamenteux. Son caractère économique (simplicité, possibilité d'utiliser des sous-produits agricoles comme support/substrat) et écologique (peu d'eau en entrée et aucune en sortie) permet de l'inscrire dans un concept de Développement Durable.
Les travaux des inventeurs ont porté sur l'élaboration d'un dispositif de fermentation en milieu solide économique, écologique, simple, permettant des productions reproductibles, de manière standardisée, tout en préservant la santé des manipulateurs et de l'environnement.
Cette recherche a conduit à orienter les travaux sur un fermenteur à usage unique, ne nécessitant que peu de manutention, peu d'eau et utilisant des sous-produits agro-industriels.
L'invention a ainsi pour but de fournir un bioréacteur en milieu solide à usage unique.
Elle vise également un procédé stable de production de biomasse de microorganismes en particulier des microorganismes fongiques, en particulier de mycélium, des spores de champignons filamenteux et de métabolites primaires ou secondaires, notamment d'enzymes, des acides organiques, des mycotoxines utilisables dans de nombreux domaines industriels.
Le dispositif de fermentation en milieu solide (FMS) de l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte
- un moule externe rigide (1)
- une partie interne constituant une chambre de fermentation (2), amovible, à usage unique, constituée d'une matière souple et comprenant 2 parties,
- la partie inférieure (8), ou chambre basse, plus dure, de forme quasi-identique à celle du récipient (3), - la partie supérieure (10) ou chambre haute destinée à renfermer la matière à fermenter, formée d'une matière plus souple, son volume utile étant supérieur à celui de la partie inférieure,
- des moyens d'aération étant prévus entre ces 2 parties.
Des moyens d'aération appropriés comprennent avantageusement une grille microperforée, logée entre les 2 parties (8) et (10) (plafond de la chambre basse et plancher de la chambre haute), qui confère une structure rigide au dispositif de fermentation. Le dispositif peut être ainsi positionné dans une glissière, de taille adaptée pour recevoir plusieurs dispositifs de bioréacteurs.
En variante, des canaux d'aération microperforés (9) sont logés dans la partie inférieure (8).
Ces dispositions permettent la mise en œuvre des étapes de production de biomasse et/ou de métabolites dans des conditions d'asepsie.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le moule externe rigide (1), comporte un point de fixation au centre (7) du récipient (3) pour son basculement en position verticale ou horizontale
Le moule externe (1) comprend plus particulièrement un récipient rigide (3) qui donne la structure au fermenteur et un couvercle (4). Les éléments (3) et (4) du moule externe (1) sont avantageusement maintenus ensemble, par exemple par des moyens de fixation (5), notamment des clips.
Une pluralité d'orifices désignés de manière générale par (6) sont prévus sur les côtés latéraux du récipient rigide et, en correspondance, sur les côtés du couvercle. Ces orifices permettent l'entrée et la sortie de l'air et des effluents gazeux. La partie interne ou chambre de fermentation (2), destinée à recevoir la matrice poreuse à fermenter, comporte comme indiqué ci-dessus des moyens pour l'aération de cette matrice. Il s'agit avantageusement d'une grille microperforée ou, selon une variante, d'une pluralité de canaux microperforés (9) dans lesquels l'air est introduit, puis diffuse au travers des microperforations (voir les flèches sur la Figure 2) dans la masse à fermenter introduite dans la chambre (non représentée), avant d'être évacué vers l'extérieur via la sortie (11).
Les étapes de la production se dérouleront à l'intérieur de cette partie qui constitue une chambre de fermentation.
Ce dispositif, de dimensions variables, permet de réaliser des cultures dans des conditions stériles, statiques, aérobies ou anaérobies avec une ventilation variable avec de l'air humide ou de l'air sec. Il est donc possible d'exercer un stress hydrique à un point opportun de l'étape de FMS. L'aération forcée des cultures s'opère à partir des orifices placés sur les côtés latéraux et les effluents gazeux sont collectés, filtrés et analysés à la sortie (11) du fermenteur en milieu solide à usage unique. L'analyse des effluents gazeux renseigne sur l'état physiologique du microorganisme, il est alors possible de réguler les différents paramètres de culture par le pilotage automatique de la FMS afin d'obtenir un produit final sec (moins de 5% d'humidité). A la fin du procédé, le produit obtenu peut être commercialisé dans son enveloppe initiale, à savoir la chambre de fermentation (2).
Ce dispositif est particulièrement adapté pour la culture de microorganismes, en particulier des bactéries, actinomycètes, levures, champignons filamenteux) sur des substrats ou des supports solides (naturels ou synthétiques) imprégnés d'une solution nutritive et d'un inoculum, de mycéliums, des spores de champignons filamenteux et de métabolites primaires ou secondaires, notamment d'enzymes, des acides organiques, des mycotoxines utilisables dans de nombreux domaines industriels. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention sont donnés dans les exemples qui suivent de modes de réalisation de l'invention dans lesquels il est fait référence aux Figures 1 et 2 qui représentent, respectivement
- la Figure 1, un schéma de moule externe (1), et
- la Figure 2, un schéma d'enveloppe interne (2).
Selon le mode de réalisation représenté sur la Figure 1, le bioréacteur présente un moule externe (1) sous forme de boîte rectangulaire (3) avec une base rigide servant de socle et comporte un couvercle (4). Ces éléments sont maintenus ensemble par des moyens de fixation de type clips (5).
Sur deux des côtés latéraux (6), plusieurs orifices sont prévus pour l'entrée et la sortie de l'air et des effluents gazeux.
Les bioréacteurs de grande taille (dépassant le mètre) peuvent comporter un point de fixation (7) au centre du récipient rigide (3) pour le basculement en position verticale ou horizontale.
Le moule externe (1) joue un rôle très important. Tout d'abord il donne les dimensions du bioréacteur, en particulier l'épaisseur du lit de fermentation et le volume utile du produit à fermenter.
Des dimensions appropriées de bioréacteur correspondent par exemple à
6 x 12 x 18 cm Volume interne utile : 1,3 litres : 0,5 Kg SPS
6 x 36 x 54 cm Volume interne utile : 11,7 litres : 4 Kg SPS
6 x 72 x 108 cm Volume interne utile : 46,7 litres : 15 Kg SPS
6 x 144 x 216 cm Volume interne utile : 186,7 litres : 50 Kg SPS
L'utilisation d'un moule externe métallique présente plusieurs avantages. Il permet de chauffer ou de refroidir rapidement le produit se trouvant dans l'enveloppe interne, de laver et de désinfecter avec différents moyens classiques de traitement.
La partie supérieure (couvercle 4), présentant également des orifices espacés uniformément, s'emboîte sur le récipient rigide (3), ce qui permet une rigidité forte du bioréacteur.
L'enveloppe interne (2) représentée sur la Figure 2 constitue le cœur du système de fermentation. Sa taille est variable suivant les dimensions intérieures du moule externe.
Cette enveloppe, en matière souple, présente selon un mode de réalisation deux parties :
- la partie inférieure (8), plus dure, de forme quasi-identique à celle du récipient rigide (3) comprend un filtre poreux, tel qu'une grille microperforée, dans la partie centrale de la chambre de fermentation et plus particulièrement une pluralité de canaux d'aération (9) microperforés,
- la partie supérieure (10) de l'enveloppe-bioréacteur destinée à renfermer la matière à fermenter est formée d'une matière plus souple. Son volume utile est supérieur à celui de la partie inférieure. Avantageusement, son volume est égal à environ le triple de celui de la partie inférieure.
La partie supérieure (10) comporte une ou plusieurs sorties (11) munies de filtres à air, pour collecter et évacuer stérilement les effluents gazeux du bioréacteur.
Dans un mode de réalisation de l'invention, l'aération des milieux à fermenter est réalisée à travers les microperforations des canaux (9) logés dans la partie inférieure (8) de la chambre de fermentation ou du plancher rigide. La distance séparant 2 canaux d'aération est par exemple de l'ordre de 25 mm et les microperforations seront espacées de 5 mm. Ces dimensions ne sont données qu'à titre d'exemple et ne présentent aucun caractère limitatif.
Dans le schéma de la Figure 2, l'entrée d'air dans le système est représentée en (14).
L'air est introduit dans les canaux d'aération microperforés (9) via des canaux de jonction (12), reliant les canaux de jonction à un sas (13) pourvu d'une ou plusieurs entrées d'air (14).
Les domaines d'application du fermenteur de l'invention sont variés. On citera, à titre d'exemple, l'agriculture avec les biopesticides, les bioraffineries pour la transformation de la biomasse, les bio-carburants, avec la production d'éthanol cellulosique à partir de biomasse lignocellulosique, l'industrie pharmaceutique (alicaments, antibiotiques), l'industrie agroalimentaire (production d'améliorants et additifs alimentaires), l'alimentation animale (enzymes digestives : amylases, cellulases, phytases etc), les détergents (production d'enzymes spécifiques : protéases, cellulases ... ), les bio-plastiques ( PLA, ...), les industries du papier (production d'enzymes pour désencrage ou blanchiment des pâtes), le domaine cosmétique (avec les enzymes, antioxydants et colorants naturels) et la biocatalyse (enzymes de biotransformation ( lipases, estérases, ...)), la production d'enzyme spécifique à partir de biomasse marine végétale. L'invention fournit ainsi des moyens pratiques, simples, permettant à tout utilisateur d'effectuer de manière stérile des productions de biomasse ou de métabolites fongiques d'intérêt, à des prix de revient des produits faibles. De plus, leur mise en œuvre assure une protection de la santé des manipulateurs et de l'environnement.

Claims

Revendications
1 - Dispositif de fermentation en milieu solide (FMS), caractérisé en ce qu'il comporte
- un moule externe rigide (1)
-une partie interne constituant une chambre de fermentation (2), amovible, à usage unique, constituée d'une matière souple et comprenant 2 parties,
- la partie inférieure (8), ou chambre basse, plus dure, de forme quasi-identique à celle du récipient (3),
- la partie supérieure (10) ou chambre haute destinée à renfermer la matière à fermenter, formée d'une matière plus souple, son volume utile étant supérieur à celui de la partie inférieure,
- des moyens d'aération étant prévus entre ces 2 parties.
2- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moule externe rigide (1), comporte un point de fixation au centre (7) du récipient (3) pour son basculement en position verticale ou horizontale
3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moule externe (1) comprend un récipient rigide (3) et un couvercle (4).
4- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les éléments du moule externe (1) sont maintenus ensemble par des moyens de fixation (5), notamment de type clips.
5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une pluralité d'orifices (6) sont prévus pour l'entrée et la sortie de l'air et des effluents gazeux sur les côtés latéraux du récipient rigide (3) et, en correspondance, sur les côtés du couvercle (4).
6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la chambre de fermentation (2) comporte des moyens pour l'aération de la masse à fermenter, tels qu'une grille microperforée, logée entre les 2 parties (8) et (10) (plafond de la chambre basse et plancher de la chambre haute) ou des canaux d'aération microperforés (9) , logés dans la partie inférieure (8). 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la partie supérieure (10) comporte une ou plusieurs sorties (11) munies de filtres à air, pour collecter et évacuer stérilement les effluents gazeux du bioréacteur. 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les canaux d'aération (9) sont reliés via des canaux de jonction (12) à un sas (13) comportant une ou plusieurs entrées d'air (14).
9- Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 pour la culture de microorganismes, en particulier des bactéries, actinomycètes, levures, champignons filamenteux) sur des substrats ou des supports solides (naturels ou synthétiques) imprégnés d'une solution nutritive et d'un inoculum, de mycéliums, des spores de champignons filamenteux et de métabolites primaires ou secondaires, notamment d'enzymes, des acides organiques, des mycotoxines utilisables dans de nombreux domaines industriels.
10 - Application selon la revendication 9, pour l'agriculture avec les biopesticides, les bioraffineries pour la transformation de la biomasse, les bio-carburants, avec la production d'éthanol cellulosique à partir de biomasse lignocellulosique, l'industrie pharmaceutique (alicaments, antibiotiques), l'industrie agro-alimentaire (production d'améliorants et additifs alimentaires), l'alimentation animale (enzymes digestives : amylases, cellulases, phytases etc .), les détergents (production d'enzymes spécifiques comme les protéases ou les cellulases, les bio-plastiques ( PL A et autres), les industries du papier (production d'enzymes pour désencrage ou blanchiment des pâtes), le domaine cosmétique (avec les enzymes, antioxydants, colorants naturels) et la biocatalyse (enzymes de biotransformation (lipases, estérases)) ou la production d'enzyme spécifique à partir de biomasse marine végétale.
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