FERMENTATION

1. Bilans des bioréacteurs
Bilan chimique

2. Bilan chimique
• L’étude du bilan des procédés microbiologique
en fermentation est basée sur le principe de la
stœchiométrie.

3. Bilan chimique
Source de carbone
Source d’azote + Oxygène
Source d’énergie
Source Ménérale
Biomasse+produit
(s) + chaleur
(energie)
Lorsqu'un microorganisme est introduit dans
un milieu de culture …., il y développe une
activité en relation avec les conditions
environnantes.

4. - Cette activité peut présenter trois aspects liés
l'un à l’autre :
-Les réactions de synthèse de biomasse
(croissance) :
- le substrat carboné est utilisé comme matériau
de construction et généralement comme source
d’énergie. Elles sont décrites par l’équation:
-Substrats carbonés + oxygène  biomasse +CO2
+ H2O

5. - Les réactions de bioconversion et de synthèse
des produits :
dans de nombreux cas, les microorganismes
sont mis en oeuvre pour produire un
métabolite P ou transformer une molécule:
Substrats  Produits
Cellules

6. -Les réactions dites de maintenance: les
réactions autres que celles conduisant à la
formation de biomasse et de métabolites sont
appelées réactions de maintenance.
elles conduisent à l'oxydation totale des
substrats (la production d’énergie pour le
métabolisme propre à la survie de la cellule)
et peuvent s'écrire selon l'équation :
• Substrats carbonés + oxygène  CO2 + H2O

7. Equation chimique
(Exemple)
• L'équation chimique suivante représente le
bilan chimique de la croissance dans le cas
d'une fermentation où la biomasse est le seul
produit formé.
• A CaHbOc + BO2 + DNH3  ECαHβOyNσ + g CO2 +
FH2O

8. Calcul des coefficients de
bioconversion
Yx/s= masse de la biomasse/masse du substrat
• Exemples: (Calcul des coeff. À partir de différentes
équations de la production de la biomasse.
A CaHbOc+ BO2 + DNH3  E CαHβNσ Oy+ g CO2 + HH2O
CaHbOc Formule chimique de la source carbonée
Si a, b, c, sont différents à “0” le substrat
carboné représente un hydrate du carbone
Si c =0 CaHb le substrat est un hydrocarbure
DNH3 source d’azote (Minérale)

9. Exemples:
-croissance aérobie d’une bactérie sur glucose
1 C6H12O6+ 1,5O2 + 0,77NH3 0,9C4,4H7,3N0,86 O1,3+
2,1 CO2 + 3,87H2O
C16H34+ 12,5O2 + 2,06NH3 2,4C4,4H7,3N0,86 O1,2+
5,3 CO2 + 11,34H2O
-C2H50H+ 1,85O2 + 0,153NH3 1,03CH1,704N0,149
O0,408+ 0,97 CO2 + 2,35H2O
Calculer les coefficients de bioconversions
CαHβOyNσ Formule brute de la biomasse

10. Exemples
-0,314 C6H12O6+ 0,75O2 + 0,19NH3 CH1,82N0,9
O0,47+ 0,90 CO2 + 1,18H2O
-C2H50H+ 1,85O2 + 0,153NH3
1,03CH1,704N0,149 O0,408+ 0,97 CO2 + 2,35H2O

11. Solution:
masse de biomasse
Yx/s=
Yx/s=
Yx/s g de biomasse/g du glucose)
n=m/M
n (nombre de mole)= m (masse/M (masse molaire) donc
Masse de substrat
0,9(C4,4H7,3N0,86 O1,3)
1 (C6H12O6)

12. Ce coefficient est influencé par un grand
nombre de facteurs:
-Le type de microorganisme
-Son état physiologique
-l’Activité métabolique
-La nature de substrat carboné (azoté)
-Le pH et la température

13. Calcul du besoin en oxygène d’une
culture
• Soit la culture batch d’un microorganisme
pour la production de biomasse, telle que la
concentration en cellule passe de X0 à Xm. La
culture est en phase de croissance
exponentielle et les conditions de culture
restent constantes. La consommation en
oxygène est donnée par la relation suivante:

16. Calcul du besoin en substat d’une
culture

17. Demande de l’oxygène

18. Bilan énergétique
L’activité métabolique des microorganismes
est un procédé énergétique résultant d’un
ensemble complexe de réactions
biochimiques. Le résultat de cette activité
biochimique est le transfert d’énergie des
molécules constituant le substrat énergétique
vers d’autres molécules biosynthétisées qui
entrent dans la composition de la biomasse et
des produits formés.

19. Notions d’électrons disponibles
-Les réactions de combustion des matières
organiques s'accompagnent d'une libération
d'énergie (selon Payne) dont la quantité est en
fonction de la valeur énergétique de ces
matières.
-Ces réactions se traduisent également par un
échange d'électrons (oxydation) et on a pu
montrer que le nombre d'électrons mis en jeu (ou
nombre d'électrons disponibles = nombre d’ave-)

20. • nombre d'électrons disponibles = nombre
d’ave-) Ave- : (Available electrons), est égal au
nombre de moles d’oxygène (demande totale
en O2=DTO) nécessaire pour l’oxydation
complète (combustion) d’une mole de
composé multiplie par 4 ( valeur qui
correspond ou nombre d’électron nécessaire
pour la réduction d’une mole d’oxygène selon
O2 O--+O--

21. Cette relation a été étudiée par PAYNE (un
grand nombre d'expériences de combustion et
de mesure de la chaleur de combustion),il a
démontré que pour 1 ave- échangé, il y a
libération de -26,5 Kcal

22. • Combustion du méthane :
• CH4 + 2O2 --> CO2 + 2H2O
• 2 x 4 = 8 ave- mis en jeu par molécule gramme
• chaleur de combustion = 8 x -26,5 =- 212 Kcal/môle
•
• -combustion du glucose :
• C6H12O6 + 6O2 --> 6CO2 + 6H2O
• 6 x 4 = 24 ave- échangés par molécule gramme
• chaleur de combustion = 24 x -26,5 = -636 Kcal/môle
•
• -combustion de l'éthanol :
• C2H5OH + 3O2 --> 2CO2 + 3H20
• 3 x 4 = 12 ave- échangés par molécule gramme
• chaleur de combustion : 12 x -26,5 = -318 Kcal/môle
•

23. Calcul du degré de réduction y
Le degré de réduction où bien l’estimation de
la valeur énergétique où nombre spécifique
d’électron disponibles est défini comme étant
le nombre ave- par atome gramme de carbone
de la matière considérée.
Pour le substrat
C6H12O6 ys = 4.6+b-2c/a
Pour la biomasse
CαHβOyNσ yx = 4 α +β-2y-3σ / α

24. Exemples
yCH4= 8ave-/atom grame de carbone
yC2H5OH=6ave- /atom grame de carbone

25. Calcul du rendement (Yave-)
Yx/s =rendement classique
Yave-= masse de Biomasse/ électron disponible du
substrat considéré)
Relation entre les deux rendements (Yave- et Yx/s)
Yx/s= Yave-. Ave- du substrat/ MMS masse molaire
du subtrat