Les différents types de fermentation

L’avantage de la fermentation par rapport à la voie chimique est comme nous l’avons expliqué dans la Partie A.3.1 est que l’on peut obtenir un acide lactique optiquement pur.

Cependant, quelques problèmes sont rencontrés lors de la production d’acide lactique :

 L’étape de fermentation nécessite un contrôle du pH et l’ajout d’un agent de titration comme le carbonate de calcium, l’hydroxyde de sodium ou l’hydroxyde d’ammonium conduisant à la formation de lactate ;

 l’acide lactique est un inhibiteur de croissance ce qui rend difficile sa production à haute concentration ;

 lors de la reconversion du lactate en acide lactique, des co-produits indésirables peuvent être produits comme le sulfate de calcium ;

 lorsque l’acide lactique est soumis à de fortes températures ou de fortes concentrations, il peut se polymériser ce qui complique sa reconversion par les techniques conventionnelles telles que l’évaporation.

B.5.1. La fermentation en milieu liquide

Ce type de fermentation est la méthode la plus couramment utilisée pour la production d’acide lactique à partir de différentes sources carbonées tels que le lactose, le saccharose, les

mélasses [Ohashi et al., 1999] mais également l’amidon [Ohkouchi et Inoue, 2006 ; Anuradha et al., 1999] et la cellulose [Abe et Takagi, 1991 ; Venkatesh, 1997].

Pour les deux derniers substrats cités, l’amidon et la cellulose, ils présentent un intérêt tout particulier en raison de leur forte abondance dans les ressources renouvelables comme les céréales. Cependant, dans le cas de l’amidon et de la cellulose, ils doivent être dans un premier temps dégradé en glucose avant d’être métabolisable, ce que les bactéries lactiques sont très rarement capables de réaliser. L’hydrolyse est réalisée à l’aide d’amylases dans le cas de l’amidon [Anuradha et al., 1999] et de cellulases pour la cellulose [Abe et Takagi, 1991 ; Venkatesh, 1997].

Figure 12 : Procédé de saccharification et fermentation simultanée à partir d’amidon et de cellulose [Hofvendahl et Hahn–Hägerdal, 2000 ; Venkatesh, 1997].

Ce processus en deux étapes comportant l'hydrolyse enzymatique suivie de la fermentation microbienne rend l'amidon et la cellulose comme substrat de fermentation économiquement sans attrait. Cette conversion microbienne de l'amidon et de la cellulose en acide lactique peut être rendue beaucoup plus économique en couplant l'hydrolyse enzymatique des substrats et la fermentation du glucose, en une seule étape. Un avantage direct de ce procédé simultané de saccharification et de fermentation (SSF) est une diminution de l'inhibition provoquée par l'accumulation de glucose menant à une augmentation des taux de saccharification et à une réduction conséquente en volume de réacteur et frais financiers.

B.5.2. La fermentation en milieu solide

La fermentation en milieu solide présente de nombreux avantages [Tableau 6] vis-à-vis de la production d’enzymes et de produits chimiques de biomasse produits à partir des souches fongiques par rapport à la culture en milieu liquide [Couto et Sanroman, 2006].

Amidon +

Tableau 6 : Avantages et inconvénients de la fermentation en milieu solide (FMS) par rapport à la fermentation en milieu liquide (FML).

Avantages Inconvénients

Haute productivité Difficulté des mesures

Meilleure régulation de l'oxygène Difficulté de mélange

Faible coût du milieu Difficulté de contrôle des paramètres du procédé (pH, T°C, besoins en nutriments...) Facilité de préparation difficulté d'homogénéisation de la chaleur Réduction des besoins en énergie et en

nutriments

Produit final non pur, augmentation du coût pour récupération du produit final

Technologie simple Maîtrise des contaminants

ressemblance avec l'habitat naturel des microorganismes

C’est dans ce cadre que Soccol et al. [1994] ont étudié la production de l’acide L-lactique par la souche fongique Rhizopus orizae sur milieu solide à partir de la bagasse de canne à sucre. Ils ont ainsi obtenu une productivité légèrement plus élevée que sur la culture en milieu liquide.

Cependant, ces dernières années des recherches sur la culture en milieu solide à partir des bactéries lactiques du genre Lactobacillus ont été réalisées. Richter et Träger [1994] ont testé la bactérie Lactobacillus paracasei pour la production d’acide L-lactique sur sorgho doux comme substrat. Plus récemment, Naveena et al. [2005] ont rapporté la production d’acide L-lactique par

la souche Lactobacillus amylophilus GV6 dans des conditions de SSF sur son de blé et John et al. [2006] ont cherché à fermenter les résidus provenant du manioc et de la canne à

sucre à partir de la souche Lactobacillus delbrueckii.

B.5.3. L’immobilisation

Une autre approche pour la production d’acide lactique a consisté à immobiliser les cellules des bactéries lactiques à l’aide d’une matrice, la plus couramment utilisée étant l’inclusion à partir de l’alginate de sodium [Yan et al., 2001 ; Klinkerberg et al., 2001 ; Yoo et al., 1996]. La méthode d’immobilisation des cellules permet de maintenir une concentration élevée en biomasse cellulaire et d’améliorer les taux de production d’acide lactique tout en réduisant les besoins complexes en nutriments des bactéries lactiques au niveau du milieu de culture et les inhibitions rencontrées lors de la fermentation [Idris et Suzana, 2006]. Un autre avantage est que l’activité

est conservée pendant plusieurs semaines et après plusieurs cultures répétées [Roukas et Kotzekidou, 1998].

Pour la production d'acide lactique par cellules immobilisées, le type de matrice et de réacteur sont une considération importante en raison de la nécessité de réguler le pH. L'utilisation d'un réacteur avec une agitation permet de maintenir efficacement le pH, mais mène souvent à l'usure de la matrice [Guoqiang et al., 1992], tandis que dans des réacteurs à couche entassée, de grands gradients de pH sont produits et toutes les cellules immobilisées ne sont pas au pH optimal pour la production d'acide lactique [Boyaval et Goulet, 1988]. De plus lors de la fermentation, la multiplication des bactéries au sein de la matrice mène à la libération d’une partie des cellules et on va donc retrouver des cellules également dans le bouillon de culture [Senthuran et al., 1999].

Le problème majeur retrouvé au niveau de méthode est que l’inclusion à partir d’une matrice d’alginate est chimiquement instable en contact avec divers agents chélatants de cations tels que le phosphate, le citrate et le lactate lesquels peuvent causer une rupture ou une dissolution des billes formées [Yoo et al., 1996].