Les différentes méthodes d’immobilisation

De nombreuses techniques d’immobilisation ont été développées. Suivant la plupart des auteurs (Karel et al. 1985 ; Willaert et Baron 1996 ; Kourkoutas et al. 2004 ; Verbelen et al. 2006), elles sont regroupées en 4 catégories : l’attachement à une surface, l’inclusion, la floculation, et le maintien derrière une barrière (Figure 20 ; Figure 21).

Figure 20 : Classification des systèmes d’immobilisation, d’après Willaert et Baron (1996).

Figure 21 : Les quatre classes de cellules immobilisées (Karel et al. 1985).

Cellules vivantes immobilisées Floculation Maintien derrière une barrière Inclusion Attachement à une surface Enrobage Support préformé Dans un gel Adsorption

naturelle artificiellement Induite préformée Barrière Naturelle artificiellement Induite

Micro- encapsulation Support naturel / support synthétique Agents de

liaisons Polymères naturels synthétiques Polymères synthétiques Membranes floculation Agents de Modification génétique

Agents de liaisons covalents Oxydes de métaux

Polysaccharides

III.1.1 L’attachement à une surface

L’attachement à une surface peut se faire suivant deux phénomènes : l’adsorption ou l’utilisation de liaisons covalentes.

Les systèmes dans lesquels les cellules sont immobilisées par adsorption sont courants du fait de la simplicité de cette technique. Elle résulte d’une attraction électrostatique entre le support et la membrane cellulaire, chargée négativement (Kolot, 1980). La force d’attachement des cellules sur le support est variable et dépend non seulement du microorganisme mais également du support utilisé. Les supports peuvent être des matériaux de nature très diverse : bois, PVC, brique, silice, bentonite, fragments végétaux… (Strehaiano et al. 2006). L’adsorption est un phénomène réversible, fonction de l’âge des cellules, de la composition de la membrane cellulaire, du pH et de la composition ionique du milieu. Un processus de désorption peut donc avoir lieu lors de variations des conditions du milieu. Bien que ce phénomène puisse être compensé par une croissance des microorganismes immobilisés sur le support, ce risque de désorption existant constitue un inconvénient majeur de cette technique. La deuxième méthode d’attachement existante utilise les liaisons covalentes qui peuvent s’établir entre les cellules et le support par l’intermédiaire d’un agent de liaison. Cette technique a été développée pour supprimer le phénomène de désorption décrit ci-dessus. Ainsi, l’immobilisation est irréversible et le biocatalyseur présente une grande stabilité. Le glutaraldéhyde constitue l’agent de liaison le plus utilisé pour l’établissement de liaisons covalentes avec divers supports et convient particulièrement pour les supports de nature protéique. Cependant, les réactifs utilisés sont souvent toxiques pour les microorganismes et peuvent induire une perte de viabilité ou d’activité importante. C’est pourquoi, cette technique n’est plus utilisée pour l’immobilisation de microorganismes mais pour l’immobilisation d’enzymes (Strehaiano et al. 2006).

III.1.2 L’inclusion

Suivant cette technique, qui est la plus commune, les cellules sont incorporées dans une matrice de polymère plus ou moins rigide. Ces polymères sont soit de nature synthétique comme le polyacrylamide ou le cellophane, soit de nature protéique comme la gélatine et le collagène, soit de nature polysaccharidique comme la cellulose, l’alginate, l’agar ou encore le κ-carraghénane. L’inclusion est une technique en deux étapes, dispersion (par extrusion) / durcissement (par refroidissement ou addition d’agent d’interactions comme les ions calcium ou potassium), facile à mettre en œuvre. Elle conduit le plus souvent à des produits de 1 à 5 mm de diamètre, d’une grande stabilité mais présentant une résistance mécanique relativement faible ce qui peut être considéré comme un inconvénient. D’autre part, la matrice polymérique peut être un facteur limitant la diffusion des solutés et / ou gaz nécessaires au microorganisme (Hannoun et Stephanopoulos 1986). Il est généralement admis que pour les produits de faible poids moléculaire inférieur à 5000 Da, la diffusion n’est pas limitée.

III.1.3. La floculation

Il est aussi possible d’augmenter la concentration cellulaire en utilisant le phénomène naturel de floculation. Cette technique est basée sur la capacité naturelle des microorganismes à adhérer entre eux. Mais il est également possible d’ajouter des agents de floculation afin de favoriser l’agrégation des microorganismes qui ne floculeraient pas spontanément. Les phénomènes mis en jeu dans la floculation sont des liaisons hydrogènes, des forces de Van Der Waals ainsi que des forces de dispersion. Selon Phillips et Poon (1988), il s’agit d’un phénomène analogue à celui de l’adsorption, donc réversible et dépendant fortement des conditions physico-chimiques en présence.

III.1.4. Le maintien derrière une barrière

L’immobilisation des cellules par maintien derrière une barrière peut se faire suivant trois procédés. Dans le premier cas, les cellules sont immobilisées au sein d’une barrière préformée telle que les fibres creuses. Dans le deuxième cas, l’immobilisation se fait par formation d’une barrière autour des microorganismes, comme par exemple la technique de microencapsulation. Enfin, la troisième et dernière méthode consiste à utiliser une membrane semi perméable compartimentant les microorganismes en croissance.

Ce type d’immobilisation s’est révélé idéal pour les systèmes où des produits de haute masse moléculaire devaient être séparés de l’effluent. Cependant, le transfert de masse et le possible encrassement de la barrière, causés par la croissance des cellules, sont autant de problèmes limitant cette technique (Lebeau et al. 1998).

Les méthodes existantes pour immobiliser les microorganismes sont donc nombreuses. Le choix de la méthode est largement gouverné par la nature du microorganisme et l’application auquel il est destiné. Bucke (1986) a ainsi établi une liste de critères à prendre en compte pour le développement d’une méthode acceptable à l’échelle industrielle : l’immobilisation doit être sans danger, simple, stable sur le temps de conservation, être porteuse d’un gain d’activité, et surtout peu coûteuse.