La fermentation est la seule opération unitaire du génie alimentaire dont le catalyseur se reproduit. Dans un réacteur d’hydrogénation, le nickel de Raney reste ce qu’il était : on le charge, il travaille, il se désactive, on le remplace. Dans un fermenteur, le catalyseur est une population vivante qui double toutes les vingt minutes à quelques heures, qui consomme une part du substrat pour se construire elle-même, qui modifie le milieu qu’elle habite, qui s’empoisonne avec ses propres produits et qui finit par mourir. Conduire une fermentation, c’est conduire un réacteur dont la quantité de catalyseur est une variable d’état.
Cette particularité change tout. Un réacteur chimique se dimensionne sur une cinétique fixe ; un fermenteur, sur une cinétique autocatalytique, où la vitesse de réaction est proportionnelle à ce que la réaction a déjà produit. Un réacteur chimique tolère une impureté ; un fermenteur envahi par un contaminant qui pousse plus vite que la souche de production est perdu en quelques heures. Un réacteur chimique se chauffe ; un fermenteur aérobie se refroidit, l’oxydation du substrat libérant une chaleur que la paroi ne suffit plus à évacuer au-delà de quelques dizaines de mètres cubes.
L’industrie alimentaire pratique la fermentation depuis huit mille ans et la comprend depuis cent cinquante. Elle en tire trois familles de produits : des aliments transformés et conservés par voie microbienne (pain, bière, vin, fromage, yaourt, choucroute, saucisson sec, cacao), des molécules purifiées vendues comme ingrédients (éthanol, acide lactique, acide citrique, glutamate, enzymes, xanthane), et de la biomasse vendue telle quelle (levure de panification, ferments lactiques). L’érythritol, seul polyol de grande consommation obtenu par fermentation et non par hydrogénation catalytique, appartient à la deuxième famille.
Le passage à l’échelle, enfin, distingue la fermentation de toutes les autres opérations unitaires. Ce qui limite un fermenteur industriel n’est presque jamais la cinétique microbienne : c’est la capacité à faire passer de l’oxygène de la bulle vers la cellule, et à évacuer la chaleur. Une culture qui produit 60 g·L−1 en flacon agité peut n’en produire que 25 en cuve de 100 m3 si le transfert d’oxygène n’a pas été reproduit.
Fermentation ou respiration ? Au sens strict de la microbiologie, la fermentation est un catabolisme anaérobie dans lequel l’accepteur final d’électrons est une molécule organique produite par la cellule elle-même — le pyruvate devient lactate, ou acétaldéhyde puis éthanol. Il n’y a ni chaîne respiratoire, ni oxygène, et le rendement énergétique est faible : 2 molécules d’ATP par molécule de glucose, contre une trentaine en respiration aérobie. Au sens du génie des procédés, en revanche, on appelle « fermentation » toute culture de micro-organismes conduite en cuve pour obtenir un produit, y compris strictement aérobie : la production d’acide citrique par Aspergillus niger ou celle d’érythritol par des levures osmophiles sont des respirations que l’usine nomme fermentations. Ce cours retient le sens industriel, tout en distinguant à chaque fois le régime aérobie du régime anaérobie, car ils n’imposent ni les mêmes appareils ni les mêmes coûts. À ne pas confondre non plus avec la bioconversion enzymatique (isomérisation du glucose en fructose, hydrolyse de l’amidon) : l’enzyme y travaille seule, hors cellule, sans se multiplier ni consommer de substrat pour croître.
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À quoi sert l’opération
Cinq finalités se superposent, et une même cuve en poursuit souvent deux ou trois.
Conserver. C’est l’usage le plus ancien et, en tonnage alimentaire, le plus important. La fermentation lactique abaisse le pH d’un aliment de 6,5 à 4,0-4,5 en quelques heures ou quelques jours, ce qui bloque la flore d’altération et les pathogènes non acidotolérants : yaourt, choucroute, olives, saucisson sec, kimchi, ensilage fourrager. L’acidification biologique a sur l’acidification chimique un avantage décisif : elle est progressive, elle s’accompagne d’une production de bactériocines, et elle laisse un profil aromatique que l’acide lactique ajouté ne reproduit pas.
Transformer la texture et l’arôme. En panification, la levée tient au dioxyde de carbone piégé par le réseau de gluten, mais la saveur d’un levain tient aux acides lactique et acétique et à des dizaines de composés volatils. En fromagerie, ferments, moisissures de surface et flores d’affinage hydrolysent la caséine et la matière grasse : un camembert affiné contient des centaines de composés absents du lait. En cacaoterie, la fermentation des fèves en tas pendant 5 à 7 jours tue l’embryon et libère les précurseurs d’arôme sans lesquels la torréfaction ne donnerait rien.
Produire une molécule. C’est la fermentation industrielle au sens strict, conduite en cuve instrumentée et suivie d’une chaîne de purification : éthanol, acide lactique, acide citrique (près de deux millions de tonnes par an dans le monde), acide acétique, acides aminés (glutamate, lysine), vitamines B2 et B12, enzymes, xanthane, et polyols comme l’érythritol. Le point commun de tous ces procédés est que la valeur du produit doit payer une purification qui part d’un bouillon aqueux à 5-20 % de matière sèche, chargé de cellules, de sels et de sous-produits.
Produire de la biomasse. La levure de panification est vendue au kilo de cellules : culture en discontinu alimenté strictement aérobie, sur mélasse, avec un débit de sucre asservi pour éviter que la levure ne produise de l’éthanol au lieu de se multiplier. Ferments lactiques et cultures de démarrage relèvent de la même logique, avec des exigences de viabilité qui pèsent autant que le rendement.
Valoriser un co-produit. Mélasses de sucrerie, lactosérums de fromagerie, eaux de glucoserie, sons et pulpes sont des substrats fermentescibles bon marché. C’est le lien historique le plus fort entre la filière sucrière et la fermentation industrielle.
Les échelles industrielles couvrent six ordres de grandeur. En laiterie, cuves de caillage de 5 000 à 20 000 L, à 42-45 °C pour un yaourt. En brasserie, cuves cylindro-coniques de 100 à 3 000 hL, à 8-14 °C pour une lager, 18-24 °C pour une ale. En vinification, 50 à 2 000 hL, 16-20 °C en blanc, 25-30 °C en rouge. En salaison, étuve à 22-26 °C pendant 2 à 4 jours. En amidonnerie et en sucrerie, fermenteurs de 100 à 1 000 m3. Aucun critère unique de similitude ne tient sur une telle plage.
Le phénomène physique
L’autocatalyse et la courbe de croissance
Une population microbienne placée dans un milieu favorable se comporte comme un capital à intérêts composés : la vitesse de production de biomasse est proportionnelle à la biomasse présente, d’où une croissance exponentielle et un temps de doublement constant tant que rien ne limite. Ce temps vaut 20 à 30 minutes pour Escherichia coli, 1,5 à 2,5 heures pour Saccharomyces cerevisiae, 4 à 10 heures pour les levures osmophiles en milieu très sucré, davantage pour les champignons filamenteux.
La culture discontinue suit invariablement six phases. La latence : les cellules réparent leur appareil enzymatique et ne se divisent pas ; elle dure de 30 minutes à plusieurs heures et se raccourcit en inoculant beaucoup, jeune, depuis un milieu identique. Une courte accélération. La phase exponentielle, où µ est maximal et où consommation d’oxygène et dégagement de chaleur croissent comme la biomasse : c’est là que le fermenteur est mis à l’épreuve. Le ralentissement, quand le substrat limitant approche KS ou qu’un produit inhibiteur s’accumule. La phase stationnaire, où se forment souvent les métabolites secondaires. Enfin le déclin et la lyse, où les cellules relâchent protéases, acides nucléiques et débris.
Cette dernière phase coûte cher. Un bouillon récolté trop tard n’a pas seulement cessé de s’enrichir : sa viscosité a doublé, sa filtrabilité s’est effondrée, sa centrifugation laisse un surnageant trouble. L’heure de récolte est un arbitrage entre titre et aval, pas une lecture de courbe.
Le carrefour du pyruvate
Presque toutes les fermentations alimentaires commencent par la glycolyse d’Embden-Meyerhof-Parnas : un glucose donne deux pyruvates, 2 ATP et 2 NADH. La cellule doit alors résoudre un problème simple : son stock de NAD+ est limité et la glycolyse s’arrête si le NADH n’est pas réoxydé. Le devenir du pyruvate est la réponse, et c’est lui qui donne son nom à chaque type de fermentation.
- Fermentation lactique homofermentaire. Le pyruvate est réduit directement en lactate. Bilan : 1 glucose → 2 lactate, rendement théorique 1,0 g/g. Lactococcus lactis, Streptococcus thermophilus, Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus. C’est la voie du yaourt et de l’acide lactique industriel.
- Fermentation lactique hétérofermentaire. Par la voie des pentoses-phosphates, 1 glucose donne 1 lactate, 1 éthanol ou acétate et 1 CO2 : rendement en lactate ramené à 0,5 g/g, mais production de gaz et d’arômes. Leuconostoc mesenteroides, Lactobacillus brevis — la voie de la choucroute, du levain, des fromages à ouverture.
- Fermentation alcoolique. Le pyruvate est décarboxylé en acétaldéhyde, réduit en éthanol : 1 glucose → 2 éthanol + 2 CO2, rendement théorique 0,511 g/g, pratique 0,46 à 0,49 g/g, le reste partant en biomasse et en glycérol. Saccharomyces cerevisiae, S. pastorianus en basse fermentation.
- Fermentation acétique. Non pas une fermentation au sens strict mais une oxydation aérobie incomplète : Acetobacter oxyde l’éthanol en acide acétique avec un rendement de 0,9 à 0,95 g/g. La demande en oxygène y est si impérieuse qu’une coupure d’aération de quelques minutes tue une partie de la population dans un acétificateur à 10-12 % d’acidité.
- Fermentation propionique. Propionibacterium freudenreichii transforme le lactate en propionate, acétate et CO2 par la voie de Wood-Werkman : c’est elle qui creuse les ouvertures de l’emmental, en cave chaude à 20-24 °C pendant 3 à 7 semaines.
Le régime aérobie renverse les proportions. En respiration, le pyruvate entre dans le cycle de Krebs, les coenzymes réduits sont réoxydés par la chaîne respiratoire, et le rendement énergétique passe de 2 à une trentaine d’ATP par glucose. La conséquence mérite d’être retenue : l’aérobiose fabrique de la biomasse, l’anaérobiose fabrique du produit. Le rendement YX/S passe d’environ 0,10 g/g en anaérobiose à 0,45-0,50 g/g en aérobiose pour une levure. Une levurerie souffle donc de l’air à pleine puissance ; une distillerie n’en souffle pas du tout.
Deux phénomènes contrarient cette logique. L’effet Crabtree : au-delà de 0,1 à 0,5 g·L−1 de glucose, S. cerevisiae produit de l’éthanol même en présence d’oxygène, sa capacité respiratoire étant saturée — c’est la raison d’être du discontinu alimenté en levurerie. Le métabolisme de débordement d’E. coli, qui excrète de l’acétate dans les mêmes circonstances, obéit au même principe. L’effet Pasteur, inverse, décrit la baisse de consommation de sucre quand on aère une culture fermentaire.
L’oxygène, verrou du passage à l’échelle
L’oxygène est peu soluble dans l’eau : environ 8,1 mg·L−1 à 25 °C sous air, 7,0 à 35 °C, et nettement moins en milieu chargé en sels et en sucres, où un moût à 300 g·L−1 de glucose peut ne dissoudre que 4 à 5 mg·L−1. Or une culture aérobie dense consomme 2 à 6 g d’oxygène par litre et par heure : le stock dissous représente quelques secondes de consommation. On peut charger tout le glucose au départ, jamais tout l’oxygène.
La résistance dominante au transfert est le film liquide côté bulle, ce qui justifie de tout ramener au produit kLa, où kL est le coefficient de transfert et a l’aire interfaciale par unité de volume. Comme a dépend de la taille des bulles et de leur temps de séjour, le levier est double : agiter pour les casser, souffler pour en apporter. Les valeurs industrielles vont de 10 à 50 h−1 en cuve peu aérée, 100 à 400 h−1 en fermenteur aérobie classique, jusqu’à 600-900 h−1 dans les installations les plus intensives.
Rhéologie, cisaillement et mousse
Un bouillon de levures ou de bactéries reste newtonien jusqu’à 50-80 g·L−1 de matière sèche. Un bouillon mycélien devient fortement pseudoplastique : le liquide s’écoule bien près du mobile et pas du tout loin de lui. Il se forme alors une caverne, zone bien mélangée entourée d’un volume quasi stagnant où l’oxygène et le pH ne sont plus contrôlés. C’est le défaut le plus caractéristique des grandes cuves fongiques, et il ne se voit sur aucun capteur : les sondes sont dans la caverne.
À l’inverse, l’agitation ne peut pas croître indéfiniment. Bactéries et levures, protégées par une paroi rigide, supportent des contraintes élevées ; les mycéliums se fragmentent, les cellules animales sont détruites bien avant. Le compromis entre transfert et cisaillement est l’arbitrage central du dimensionnement : la plus grande aire interfaciale possible pour la plus faible contrainte possible.
La mousse, enfin, est une nuisance systématique et non un accident : les milieux contiennent protéines, peptides et lipides tensioactifs, et l’on y injecte 0,5 à 1,5 volume d’air par volume et par minute sous forte agitation. Une mousse non maîtrisée monte dans le filtre d’échappement, le mouille, le colmate, met la cuve en surpression et ouvre la voie à la contamination. Le ciel qui lui est réservé représente 20 à 30 % du volume géométrique de toute cuve aérobie.
Les grandeurs et les équations
Croissance et limitation par le substrat
La croissance d’une population non limitée obéit à une équation du premier ordre par rapport à la biomasse : le taux de croissance spécifique µ, homogène à l’inverse d’un temps, est la grandeur maîtresse de toute la fermentation. Monod a proposé en 1949 de le relier à la concentration du substrat limitant par une hyperbole formellement identique à l’équation de Michaelis-Menten, bien qu’elle décrive non pas une enzyme, mais la performance globale d’une cellule entière.
Cette équation dit trois choses utiles. Tant que S ≫ KS, µ vaut µmax : charger davantage de sucre au départ n’accélère rien. Quand S = KS, µ tombe de moitié ; comme KS vaut 1 à 20 mg·L−1 pour le glucose, la transition entre « rien ne limite » et « tout est fini » se joue sur les dernières fractions de gramme par litre, ce qui explique qu’une culture discontinue s’arrête brutalement. Enfin, le couple (µmax, KS) définit une stratégie écologique, donc quelles contaminations prennent le dessus et quand.
Le modèle se corrige lorsqu’un produit inhibe (terme multiplicatif 1 − P/Pmax, avec Pmax de 90 à 130 g·L−1 en fermentation alcoolique) ou lorsque le substrat lui-même inhibe à forte concentration (modèle de Haldane, indispensable aux milieux à 300-400 g·L−1 de glucose des fermentations osmophiles).
Rendements, maintenance et productivité
Les rendements de conversion sont des bilans matière, pas des paramètres cinétiques : des rapports de variations, qui se lisent sur une droite quand on porte la biomasse ou le produit en fonction du substrat consommé. Le rendement apparent en biomasse n’est cependant jamais constant, une part du substrat servant à l’entretien de la cellule ; le modèle de Pirt sépare cette dépense de celle de la croissance. La grandeur qui paie, enfin, n’est ni le rendement ni le titre pris isolément, mais la productivité volumique, qui rapporte la production au volume de cuve et au temps immobilisé — fermentation, mais aussi vidange, nettoyage et stérilisation.
−dS/dt = (µ · X) / YmaxX/S + mS · X + (qP · X) / YP/S
Pr = (Pf − P0) / (tf + tmort)
La lecture est directe : le sucre consommé se répartit en trois postes — construire des cellules, les entretenir, fabriquer le produit. Le terme d’entretien mS vaut 0,02 à 0,1 g de substrat par gramme de cellules et par heure ; négligeable en culture rapide, il devient dominant en fin de fermentation. C’est lui qui explique qu’une fermentation prolongée de deux jours pour gagner 5 % de titre puisse détruire le rendement global.
Un procédé à 150 g·L−1 en 60 heures produit 2,5 g·L−1·h−1 ; un procédé à 100 g·L−1 en 20 heures en produit 5. Le second immobilise deux fois moins de capital, mais le premier livre un bouillon plus concentré, donc moins cher à purifier. Le rapport entre coût du substrat, coût de l’immobilisation et coût de l’aval tranche.
| Symbole | Grandeur | Unité | Ordre de grandeur |
|---|---|---|---|
| µ | taux de croissance spécifique | h−1 | 0,05 à 2 |
| µmax, td | taux de croissance maximal, temps de doublement | h−1, h | 0,1 (levure osmophile) à 2 ; 0,3 à 10 |
| X | biomasse (matière sèche) | g·L−1 | 1 à 120 |
| S, P | substrat limitant, produit | g·L−1 | 0,001 à 400 ; 5 à 200 |
| KS | constante de demi-saturation | g·L−1 | 0,001 à 0,05 (glucose) |
| YX/S | rendement en biomasse | g·g−1 | 0,08 anaérobie à 0,50 aérobie |
| YP/S | rendement en produit | g·g−1 | 0,26 à 0,95 selon la voie |
| mS | coefficient d’entretien | g·g−1·h−1 | 0,02 à 0,1 |
| qP | vitesse spécifique de production | g·g−1·h−1 | 0,02 à 1 |
| Pr | productivité volumique | g·L−1·h−1 | 0,3 à 10 |
Le chémostat
En culture continue, on alimente en milieu neuf et on soutire au même débit. Le taux de dilution D = F/V est l’inverse du temps de séjour, et le bilan de biomasse en régime permanent donne un résultat qui surprend : c’est l’exploitant qui fixe le taux de croissance des cellules, en réglant une vanne.
S = KS · D / (µmax − D) X = YX/S · (S0 − S)
Si D dépasse µmax, la population est lessivée plus vite qu’elle ne se renouvelle, et le taux de dilution critique vaut approximativement µmax. La productivité D·X passe par un maximum autour de 0,7 à 0,9 Dcrit — zone étroite, d’où la nervosité d’un chémostat industriel. Le recyclage cellulaire, par décanteur ou par filtration membranaire sur la boucle de soutirage, découple le temps de séjour des cellules de celui du liquide et permet de dépasser µmax avec 40 à 100 g·L−1 de biomasse.
Transfert d’oxygène
Le débit d’oxygène transféré par unité de volume, ou OTR, est proportionnel à l’écart entre la concentration à saturation et la concentration réelle dans le liquide ; la demande, ou OUR, est le produit de la biomasse par sa consommation spécifique. En régime permanent les deux sont égales, et cette égalité est le véritable dimensionnement d’un fermenteur aérobie.
à l’équilibre : kLa = qO2 · X / (C* − CL)
Un exemple fixe les idées. Pour 30 g·L−1 de biomasse consommant 0,15 g d’oxygène par gramme et par heure, l’OUR vaut 4,5 g·L−1·h−1. Si C* = 7 mg·L−1 et que l’on veut tenir CL à 2 mg·L−1, le moteur du transfert n’est que de 0,005 g·L−1 : il faut un kLa de 900 h−1. D’où les leviers réellement employés — enrichir l’air en oxygène, ou mettre la cuve sous 0,5 à 1,5 bar de contre-pression.
Agitation et dissipation
La puissance absorbée par un mobile en régime turbulent ne dépend plus de la viscosité : elle suit une loi en cube de la vitesse et en puissance cinquième du diamètre. C’est la relation la plus lourde de conséquences de tout le passage à l’échelle.
Le nombre de puissance Np est une constante d’appareil en régime turbulent : 5 à 6 pour une turbine Rushton à six pales plates, 1,2 à 1,8 pour une turbine à pales inclinées, 0,3 à 0,8 pour un mobile à grande surface portante. Les exposants α et β valent 0,4 à 0,7 et 0,2 à 0,5 selon le milieu et la géométrie, et ne se transposent jamais sans mesure. L’aération réduit la puissance absorbée de 30 à 50 %, les cavités gazeuses derrière les pales diminuant la traînée : c’est la puissance gazée Pg qu’il faut utiliser, jamais celle mesurée à sec.
| Symbole | Grandeur | Unité | Ordre de grandeur |
|---|---|---|---|
| kLa | coefficient volumétrique de transfert d’oxygène | h−1 | 10 à 900 |
| C*, CL | oxygène à saturation, oxygène dissous réel | mg·L−1 | 4 à 9 sous air ; consigne 10 à 40 % de C* |
| qO2 | consommation spécifique d’oxygène | g·g−1·h−1 | 0,05 à 0,4 |
| OTR, OUR | oxygène transféré, oxygène consommé | g·L−1·h−1 | 0,5 à 6 |
| Pg/V | puissance gazée par unité de volume | kW·m−3 | 0,5 à 5 (10 en mycélien) |
| Np, N, Di | nombre de puissance, vitesse, diamètre du mobile | —, s−1, m | 0,3 à 6 ; 0,5 à 5 ; 0,3 à 0,4 Dcuve |
| vg, vtip | vitesse superficielle du gaz, vitesse en bout de pale | m·s−1 | 0,01 à 0,1 ; 2 à 8 |
| D | taux de dilution (continu) | h−1 | 0,05 à 0,5 |
Les matériels
Les quatre modes de conduite
Avant l’appareil vient le mode : c’est lui qui détermine la forme des courbes et la stratégie de contrôle.
Le discontinu (batch) charge tout le milieu, inocule, laisse faire, récolte. Mode le plus simple et le plus robuste vis-à-vis de la contamination, la cuve étant stérilisée à chaque cycle. Son défaut est double : substrat en forte concentration au départ, donc inhibition ou débordement possibles, et productivité plombée par les temps morts.
Le discontinu alimenté (fed-batch) démarre sur un volume réduit puis alimente en substrat concentré sans soutirer. C’est le mode dominant de la fermentation industrielle moderne : il maintient le substrat à une concentration faible et choisie, donc pilote µ par le débit d’alimentation. Un profil exponentiel F(t) = F0·eµ·t maintient un taux de croissance constant. On atteint ainsi 60 à 120 g·L−1 de biomasse et l’on évite l’effet Crabtree. Le volume variant d’un facteur 2 à 5, la cuve doit agiter et aérer correctement au niveau bas comme au niveau haut.
Le continu (chémostat) alimente et soutire en permanence. Sa productivité volumique est la plus élevée et son régime est stable. Il est courant en éthanol et en traitement d’effluents, rare ailleurs en alimentaire : il exige une stérilité tenue des semaines, et il sélectionne les mutants les plus rapides, qui ne sont pas les meilleurs producteurs — un opéron de production est un fardeau métabolique que la sélection naturelle élimine.
Le continu avec recyclage cellulaire retient les cellules par décantation, centrifugation ou membrane et les renvoie dans la cuve, avec des productivités volumiques 3 à 10 fois supérieures au chémostat simple : c’est le principe des fermentations acétiques à immersion et des fermentations éthanoliques à haute performance.
| Mode | Productivité volumique | Titre final | Risque de contamination | Emploi typique |
|---|---|---|---|---|
| Discontinu | Faible à moyenne | Moyen à élevé | Faible (stérilisation à chaque cycle) | Bière, vin, yaourt, fromage, la plupart des métabolites secondaires |
| Discontinu alimenté | Moyenne à élevée | Élevé | Faible à moyen | Levure de panification, acides aminés, enzymes, érythritol |
| Continu (chémostat) | Élevée | Faible à moyen | Élevé (semaines de tenue aseptique) | Éthanol carburant, protéines unicellulaires, effluents |
| Continu à recyclage | Très élevée | Moyen | Élevé | Vinaigre, acide lactique, éthanol intensif |
Les familles d’appareils
La cuve agitée aérée est le fermenteur de référence : cylindre vertical à fond bombé, rapport hauteur sur diamètre de 2 à 3, quatre chicanes larges d’un dixième du diamètre, un arbre portant deux à quatre mobiles espacés d’un diamètre de mobile, un diffuseur d’air annulaire sous le mobile inférieur, double enveloppe ou serpentins. Le mobile inférieur est traditionnellement une turbine Rushton, excellente pour disperser le gaz mais gourmande ; les étages supérieurs sont de plus en plus des mobiles axiaux à faible nombre de puissance. Elle couvre toute la gamme, de 2 L à 500 m3.
La colonne à bulles supprime l’agitateur : l’air injecté au pied suffit à mélanger et à transférer. Investissement et entretien réduits, pas de garniture d’arbre — donc un point d’entrée de contamination en moins — et cisaillement faible. En contrepartie, le kLa plafonne vers 100-200 h−1.
Le fermenteur à boucle (airlift) sépare une zone montante aérée d’une zone descendante dégazée, par tube concentrique ou boucle externe. Circulation régulière, cisaillement modéré, homogénéité meilleure qu’en colonne simple : c’est la géométrie des grandes cultures fongiques, jusqu’à 1 000 à 2 000 m3.
La cuve cylindro-conique de brasserie est un fermenteur anaérobie sans agitateur : le brassage vient des courants de convection dus au dégagement de CO2 et au refroidissement pariétal. Le cône à 60-70 ° concentre la levure sédimentée, soutirée par le bas et réutilisée sur 5 à 10 générations. Volumes de 100 à 5 000 hL, hauteur jusqu’à 20 m, pression de garde de 0,5 à 1,5 bar en fin de fermentation.
Les fermenteurs à cellules immobilisées retiennent la biomasse sur un support — copeaux de hêtre pour le vinaigre en procédé ruisselant, billes d’alginate, garnissages structurés. La biomasse retenue peut dépasser 100 g·L−1 et la productivité s’en trouve démultipliée ; leur faiblesse est le colmatage.
La fermentation en milieu solide, enfin, se conduit sans phase liquide continue : le micro-organisme colonise un substrat humide (riz, soja, son) sur plateaux, en tambour rotatif ou en lit aéré — voie du koji, du tempeh, du miso et de certaines enzymes fongiques. Le contrôle y est beaucoup plus grossier : ni pH ni oxygène dissous mesurables, gradients thermiques importants.
| Appareil | kLa (h−1) | P/V (kW·m−3) | Cisaillement | Volumes courants | Ce qui le fait choisir |
|---|---|---|---|---|---|
| Cuve agitée aérée | 100 à 900 | 1 à 5 | Élevé | 2 L à 500 m3 | Transfert d’oxygène maximal, contrôle fin, polyvalence |
| Colonne à bulles | 50 à 200 | 0,2 à 1 | Faible | 1 à 500 m3 | Investissement bas, pas de garniture d’arbre |
| Fermenteur à boucle (airlift) | 100 à 400 | 0,3 à 1,5 | Faible à modéré | 10 à 2 000 m3 | Grands volumes, cultures fragiles ou mycéliennes |
| Cuve cylindro-conique | — | < 0,05 | Très faible | 10 à 500 m3 | Anaérobie, récupération de la levure par le cône |
| Lit à cellules immobilisées | 50 à 300 | 0,1 à 0,5 | Très faible | 1 à 100 m3 | Productivité volumique, procédé continu simple |
| Milieu solide (plateaux, tambour) | — | — | Nul | 0,1 à 50 m3 | Substrats solides, arômes, enzymes fongiques |
Les auxiliaires qui font la stérilité
Un fermenteur n’est pas seulement une cuve : c’est un volume qui doit rester aseptique pendant des jours alors qu’on y injecte air, base, acide, antimousse et substrat, et qu’un arbre traverse sa paroi en tournant. La conception aseptique se joue sur une liste précise : soudures polies et pénétrantes, pas de bras mort supérieur à trois diamètres, vannes à membrane, joints qualifiés vapeur, garniture mécanique double à barrière de condensat stérile ou entraînement magnétique, filtres d’air à 0,2 µm stérilisables en place, piquages tous vapeurisables.
La stérilisation du milieu se fait en discontinu — cuve pleine à 121 °C pendant 20 à 40 minutes — ou en continu, par injection de vapeur vive à 140-145 °C pendant 30 à 120 secondes. Le critère de dimensionnement est le facteur de réduction ∇ = ln(N0/N), intégré sur tout le profil de température, avec une cible de 40 à 60. Le continu l’emporte dès que le milieu contient sucres et acides aminés : à haute température, la destruction des spores s’accélère beaucoup plus vite que les réactions de Maillard, si bien qu’on stérilise mieux en dégradant moins, et qu’on récupère 60 à 90 % de la chaleur.
Les paramètres de conduite
Une fermentation industrielle se règle sur une dizaine de variables, mais chacune agit sur plusieurs autres : élever l’agitation augmente à la fois le transfert d’oxygène, la dissipation thermique, le cisaillement et la mousse.
| Paramètre | Plage usuelle | Effet d’une augmentation |
|---|---|---|
| Température | 25 à 45 °C (30-34 °C pour les levures, 42-45 °C en yaourt, 8-14 °C en lager) | Accélère µ jusqu’à l’optimum puis dénature ; déplace l’équilibre produit / sous-produits ; charge le refroidissement |
| pH | 4,0 à 7,0 ; 4,5-5,5 pour les levures, 6,0-6,8 pour les lactiques | Sélectionne la flore, modifie la forme ionisée du produit et son inhibition |
| Oxygène dissous (consigne) | 10 à 40 % de saturation ; < 2 % en micro-aérobie | Oriente vers la respiration ; au-delà de l’optimum, dépense sans gain |
| Débit d’air | 0,2 à 1,5 vvm | Augmente kLa et l’entraînement des volatils ; noie le mobile si excessif ; aggrave la mousse |
| Vitesse d’agitation | 30 à 300 tr·min−1, vtip 2 à 8 m·s−1 | kLa en puissance 0,4 à 0,7 de P/V ; cisaillement et chaleur en proportion directe |
| Contre-pression | 0,3 à 1,5 bar relatif | Augmente C* proportionnellement ; protège de la contamination ; retient le CO2, inhibiteur à forte teneur |
| Débit d’alimentation (fed-batch) | Constant, exponentiel, ou asservi au pH, à l’O2 dissous ou au CO2 des gaz de sortie | Fixe µ ; trop rapide, déclenche l’éthanol ou l’acétate de débordement |
| Taux d’inoculation | 2 à 10 % du volume, 106 à 108 cellules·mL−1 | Raccourcit la latence ; coûte des étages de préculture |
| Rapport C/N du milieu | 10 à 20 pour la biomasse, 40 à 100 pour les métabolites | Azote abondant : croissance ; azote limitant : accumulation de produit |
| Antimousse | 0,01 à 0,5 g·L−1, asservi à une sonde de niveau | Abat la mousse mais réduit kLa de 10 à 30 % et gêne la filtration aval |
Le passage à l’échelle ne conserve qu’un critère à la fois. Les quatre critères classiques — P/V constant, kLa constant, vtip constante, temps de mélange constant — sont mutuellement incompatibles. En multipliant le volume par 1 000 à géométrie semblable, conserver P/V divise la vitesse de rotation par 10 mais multiplie vtip par 10 ; conserver vtip divise P/V par 100 et fait s’effondrer le transfert d’oxygène. La pratique est de conserver kLa pour toute culture aérobie dense, vtip pour les cultures fragiles, et d’accepter que le temps de mélange passe de 5 secondes en pilote à 60-120 secondes en grande cuve — d’où des gradients de sucre, de pH et d’oxygène que la souche subira à chaque tour de boucle. Le pilote doit donc reproduire non pas les moyennes de la grande cuve, mais ses oscillations.
Ce qui se dérègle
| Symptôme | Cause probable | Correction |
|---|---|---|
| Latence anormalement longue (> 8 h) | Inoculum trop vieux ou trop dilué, choc de température ou de pH, milieu de préculture différent, résidu de désinfectant | Inoculer en phase exponentielle, à 5-10 %, sur un milieu de même composition ; rincer après nettoyage |
| Oxygène dissous à zéro en pleine croissance | OTR insuffisant, mousse dans le condenseur, filtre d’échappement mouillé, sonde encrassée | Monter l’agitation puis la contre-pression, enrichir l’air, purger le filtre, brider l’alimentation en substrat |
| Mousse qui monte dans l’évent | Lyse cellulaire, protéines du milieu, antimousse épuisé, aération excessive | Injection asservie d’antimousse, casse-mousse mécanique en tête d’arbre, ciel porté à 30 % du volume |
| Chute de pH brutale et hors cinétique, odeur anormale | Contamination : défaut de stérilisation, garniture d’arbre, joint d’échantillonnage, air non filtré | Arrêt et décontamination ; test d’intégrité des filtres, contrôle des sondes de stérilisation, revue des bras morts |
| Rendement effondré, éthanol ou acétate détectés en aérobie | Métabolisme de débordement : sucre apporté plus vite que la capacité respiratoire | Asservir le débit au CO2 des gaz de sortie ou à l’oxygène dissous ; profil exponentiel à µ réduit |
| Bouillon visqueux, sondes qui ne bougent plus | Cavernes dans un milieu pseudoplastique mycélien | Mobiles à grande surface portante, dilution partielle, morphologie en pelotes plutôt qu’en filaments |
| Température qui dérive à la hausse au pic de croissance | Puissance thermique métabolique supérieure à la capacité de refroidissement | Serpentins internes, eau glacée, µ bridé par l’alimentation ; à défaut, réduire le remplissage |
| Productivité qui décline lot après lot en continu | Dérive génétique : variants rapides et peu producteurs, perte de plasmide | Retour à la banque de cellules, campagnes plus courtes, pression de sélection maintenue |
| Acidification qui s’arrête net en laiterie | Bactériophage, résidu d’antibiotique ou de désinfectant dans le lait | Rotation de souches non apparentées, hygiène des aérosols, contrôle des inhibiteurs à réception |
| Fermentation alcoolique bloquée avant épuisement des sucres | Carence en azote assimilable, inhibition par l’éthanol, température excessive | Complémentation azotée en début de fermentation, contrôle thermique, réensemencement |
Énergie, coût et environnement
Une fermentation aérobie est énergivore, et la facture se répartit en trois postes. L’agitation consomme 1 à 5 kW·m−3, soit 100 à 500 kW pour une cuve de 100 m3 tenue 40 à 250 heures. La compression de l’air, à 0,5-1 vvm sous 2 à 3 bar absolus, ajoute 0,3 à 1 kW·m−3. Le refroidissement doit évacuer la chaleur métabolique : l’oxydation biologique libère de l’ordre de 460 kJ par mole d’oxygène consommée, quel que soit le substrat, si bien qu’une culture consommant 3 g·L−1·h−1 dégage environ 12 kW·m−3, plus que l’agitation. La surface d’échange croissant comme le carré de la dimension et le volume comme le cube, la double enveloppe cesse de suffire vers 20-50 m3.
La stérilisation ajoute son propre poste : porter un milieu de 30 à 121 °C demande environ 380 kJ·kg−1, soit près de 0,17 kg de vapeur par kilogramme de milieu en discontinu ; le stérilisateur continu à récupération ramène la consommation nette à 0,03-0,06 kg·kg−1. À l’échelle d’une usine, nettoyage en place et stérilisation représentent 15 à 30 % de la vapeur consommée.
La structure de coût obéit à une règle qui vaut d’être connue : le substrat pèse 30 à 60 % du coût de production pour une commodité, l’énergie 10 à 25 %, et l’aval — séparation de la biomasse, décoloration, déminéralisation, concentration, cristallisation, séchage — de 20 à 60 %. Ce dernier poste est d’autant plus lourd que le titre est bas : produire à 15 g·L−1 revient à évaporer 60 kg d’eau par kilogramme de produit. D’où un développement porté sur le titre plus encore que sur le rendement.
Le bilan environnemental n’est pas défavorable. Le CO2 des fermentations est biogénique et, en fermentation alcoolique, il est pur : 0,96 kg par kilogramme d’éthanol formé, récupérable et liquéfié pour la carbonatation des boissons. Les co-produits ont tous un débouché — drêches et vinasses en alimentation animale ou en méthanisation, levures en extraits d’assaisonnement. Les effluents sont concentrés : une vinasse titre 40 à 100 g·L−1 de DCO, dont la méthanisation tire 0,3 à 0,4 m3 de méthane par kilogramme éliminé.
L’opération dans la fabrication des sucrants
L’érythritol, produit par une levure qui se défend
L’érythritol est le seul polyol de grande consommation obtenu par fermentation et non par hydrogénation catalytique. La raison tient à une particularité biologique remarquable : chez les levures qui le produisent, l’érythritol n’est pas un déchet du métabolisme, c’est un osmolyte. Placée dans un milieu à très forte concentration en glucose, la cellule subit une pression osmotique qui lui arrache son eau ; elle y répond en accumulant un polyol de petite taille, neutre, sans effet sur ses enzymes, qui rétablit l’équilibre osmotique interne. L’excédent est excrété. Toute la conduite du procédé découle de là : sans stress osmotique, pas d’érythritol.
Les souches employées sont des levures osmophiles : Moniliella pollinis, historiquement la plus utilisée en production, Trichosporonoides megachiliensis et apparentées, et Yarrowia lipolytica, objet des travaux les plus récents. Le milieu titre couramment 250 à 400 g·L−1 de glucose issu de l’hydrolyse enzymatique de l’amidon de maïs ou de blé. La culture est aérobie, en discontinu alimenté, à 30-34 °C, à pH 4 à 5,5 — acidité qui protège de la contamination bactérienne autant qu’elle convient à la levure. Elle dure 10 à 12 jours à l’échelle industrielle, ce qui est très long et explique la taille des parcs de cuves. Les rendements publiés vont de 26 à 61 % g/g selon la souche et le milieu, M. pollinis se situant couramment à 38 à 40 %. Les sous-produits — glycérol, ribitol, mannitol — sont tous des polyols, donc tous difficiles à séparer.
L’aval est une chaîne classique de purification de bouillon, et c’est lui qui décide de la qualité alimentaire.
250 à 400 g·L−1, stérilisé
levure osmophile, 30-34 °C, pH 4-5, 10 à 12 jours
centrifugation puis filtration de finition
charbon actif, résines échangeuses d’ions
évaporation sous vide, refroidissement contrôlé
érythritol cristallisé, E968
Deux points méritent d’être soulignés. La forte teneur en sucre du moût, imposée par la biologie, réduit la solubilité de l’oxygène et augmente la viscosité : le fermenteur travaille dans les conditions les plus défavorables au transfert. Et la cristallisation finale doit séparer l’érythritol de polyols voisins ; c’est elle, plus que la fermentation, qui fixe la pureté du produit vendu.
Le xylitol, une voie biologique restée marginale
Le xylitol industriel est obtenu par hydrogénation catalytique du xylose, pas par fermentation. Une voie biologique existe pourtant : certaines levures du genre Candida, notamment C. tropicalis et C. guilliermondii, réduisent le xylose en xylitol par une xylose réductase dépendante du NADPH, puis le réoxydent en xylulose par une xylitol déshydrogénase dépendante du NAD+. Le xylitol s’accumule quand la première réaction va plus vite que la seconde.
D’où la difficulté centrale : ce procédé exige un besoin constant en NADPH et un régime micro-aérobie extrêmement étroit. Trop d’oxygène, la levure respire le xylose et fabrique de la biomasse au lieu de xylitol ; trop peu, elle ne régénère plus ses cofacteurs et s’arrête. La consigne se situe typiquement sous 2 % de saturation, plage que le passage à l’échelle rend très difficile à tenir uniformément. S’y ajoutent les inhibiteurs des hydrolysats hémicellulosiques — furfural, hydroxyméthylfurfural, acide acétique, composés phénoliques — qui imposent une détoxification préalable. Les rendements atteignent 0,6 à 0,8 g/g sur xylose pur, mais la productivité et le coût de l’aval n’ont jamais permis de concurrencer un réacteur d’hydrogénation qui convertit plus de 98 % du xylose en quelques heures.
Les autres sucrants : présence, absence, et nuisance
Il faut le dire franchement : la fermentation n’intervient pas dans la fabrication du sirop de yacon, obtenu par extraction, clarification et concentration, ni dans celle du sirop d’agave, où l’hydrolyse des fructanes est thermique ou enzymatique. Pour la stévia, elle ne produit pas la feuille mais intervient en aval : des glycosyltransférases issues de fermentation permettent de convertir les glycosides majoritaires en rébaudioside M, minoritaire dans la plante.
Dans deux cas, la fermentation est au contraire l’ennemie. La sève de cocotier destinée au sucre de fleur de coco fermente spontanément en quelques heures : toute la maîtrise du procédé consiste à l’empêcher — récolte deux fois par jour, récipients chaulés, cuisson rapide. En sucrerie de canne et en diffusion betteravière, la fermentation lactique parasite est une perte comptabilisée : les Leuconostoc produisent du dextrane, polymère de haute masse qui fait monter la viscosité, colmate les filtres et déforme les cristaux de saccharose en aiguilles. Enfin, la mélasse résiduelle de sucrerie est le substrat de fermentation industriel le plus classique qui soit — levure de panification, éthanol, acide citrique, acide lactique — ce qui referme la boucle entre filière sucrière et biotechnologie.
Pour aller plus loin
- Hydrolyse — comment se fabrique le glucose ou le xylose que le micro-organisme consommera, et pourquoi l’hydrolysat contient des inhibiteurs.
- Stérilisation — le barème thermique qui décide de la stérilité du milieu, et l’arbitrage entre destruction des spores et dégradation des sucres.
- Centrifugation — la première opération aval : sortir les cellules d’un bouillon sans les lyser.
- Cristallisation — l’étape qui fixe la pureté de l’érythritol, en le séparant des polyols voisins.
- Hydrogénation catalytique — la voie chimique concurrente, celle qui produit le xylitol industriel.
- Filtration membranaire — le moyen de recycler la biomasse et de découpler le temps de séjour des cellules de celui du liquide.
- Échange d’ions — la déminéralisation qui suit toute purification de bouillon fermentaire.
- Les autres édulcorants — pour situer l’érythritol et le xylitol parmi les autres solutions sucrantes.
Sources
- Fellows, P. J., Food Processing Technology: Principles and Practice, 4e éd., Woodhead Publishing, 2017.
- Bimbenet, J.-J., Duquenoy, A., Trystram, G., Génie des procédés alimentaires : des bases aux applications, Dunod, 2e éd., 2007.
- Perry, R. H., Green, D. W., Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 9e éd., McGraw-Hill, 2018.
- Saravacos, G., Kostaropoulos, A. E., Handbook of Food Processing Equipment, 2e éd., Springer, 2016.
- Mafart, P., Béliard, E., Génie industriel alimentaire, Tec & Doc Lavoisier.
- « Overview of erythritol production by yeast strains », FEMS Microbiology Letters, 369(1), 2022.
- Hernández-Pérez et al., « Xylitol: Bioproduction and Applications — A Review », Frontiers in Sustainability, 2022.
- Règlement (UE) n° 1333/2008 sur les additifs alimentaires (E967 xylitol, E968 érythritol) et Règlement (CE) n° 852/2004 relatif à l’hygiène des denrées alimentaires.