utilisations industrielles des microorganismes
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UTILISATIONS INDUSTRIELLES DES MICRO-ORGANISMES
I INDUSTRIE AGRO-ALIMENTAIRE
II INDUSTRIES NON ALIMENTAIRES
III BIOTECHNOLOGIES
utilisant les produits des fermentations microbiennes
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UTILISATIONS INDUSTRIELLES DES MICRO-ORGANISMES
I INDUSTRIE AGRO-ALIMENTAIREI-1) Les boissons alcoolisées
I-1a) le vinI-1b) le cidreI-1c) la bière
I-2) Le painI-3) L’industrie laitière
I-3a) les yaourtsI-3b) les fromages
I-4) Les autres aliments fermentésI-5) Divers
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II INDUSTRIES NON ALIMENTAIRES UTILISANT LES PRODUITS DE FERMENTATIONS
II-1) L’industrie chimiqueII-1a) alcool industrielII-1b) biocarburants et biogazII-1c) écoplastiques
II-2) Les antibiotiques
II-3) Divers
III BIOTECHNOLOGIESIII-1) Principes
III-2) Quelques exemplesIII-2a) médicamentsIII-2b) vaccins
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LES FERMENTATIONS MICROBIENNES� Processus naturel : les micro-organismes (bactéries, levures, moisissures) présents sur (dans) les matières premières les transforment en s’en nourrissant
� L’homme a maîtrisé ce processus naturel
� Nombreuses applicationsprincipalement agro-alimentaires
> 3500 aliments fermentés traditionnels ou industriels
� produits animaux : fromages, saucissons, yaourts…
� produits végétaux : vin, bière, choucroute, dérivés du soja
pain, café, thé, cacao…
� Intérêt double en agro-alimentaire:
� conservation des aliments : inhibition de la flore microbienne indésirable par les produits de fermentation (acides, alcools)
� transformation des aliments : modification des propriétés organoleptiques(texture, goût…)
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�Bref historique�Utilisation empirique depuis des millénaires : vin, bière, vinaigre
� Découverte des agents microbiens et des réactions métaboliques : XIXe siècle
Lavoisier, Gay-Lussac : chimistesPasteur : chimiste et microbiologiste
� Développement des applications industrielles : XXe siècleen chimie : première guerre mondiale (acétone)en agro-alimentaire principalement
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�Un peu de biochimie (métabolisme microbien)
Substrat organique Produits très divers d’intérêt industrielSource d’énergie enzymes + gaz +énergie
bactériennesou fungiques
En anaérobiose (absence d’oxygène) le plus souvent
Important dégagement gazeux : aspect d’un liquide en ébullition
Certaines fermentations sont néfastessurtout dans les aliments
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I INDUSTRIE AGRO-ALIMENTAIREI-1) Les boissons alcoolisées
Fermentation alcoolique(principalement)Sucres ���� alcool éthylique = éthanol= C2H5OH
I-1a) le vinJus de raisin ����vin
�principale réaction de fermentation : Fructose et glucose ���� éthanol + CO2
100 à 250 g/L 60 à 170 g/L (6 à 17%)
� principaux micro-organismesLevuresœnologiquesPrésence naturellesur la peau des raisinsEspèces variant selon l’environnement et les cépagesPeuvent également être ajoutées au moût
Saccharomyces : S. ellipsoideus, S. oviformis, S. cerevisiaeTorulospora roseiKloeckera apiculata
Evolution de la flore au cours de la vinification : S. ellipsoideuset S. oviformissont les espècesles plus alcoologènes
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� réactions additionnellesLes produits formés sont les composants essentiels du « bouquet» du vin
Sucres glycérolAcides organiques acides organiques (lactique, succinique)dont acide malique autres alcools
aldéhydesPuis combinaison de ces produits ���� esters
Fermentation malolactique: permet de réduire l’acidité du vinAcide malique acide lactique2 à 5g/L < 1g/LCOOH-CHOH-CH 2-COOH COOH-CHOH-CH 3
Réaction assurée par des bactéries après la f. alcoolique: LactobacillusLeuconostoc
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I-1) Les boissons alcooliséesI-1a) le vinI-1b) le cidre
Jus de pomme ���� cidreMêmes types de réactions que pour le vinDegré d’alccol plus faible : 2 à 5%
Principaux micro-organismes���� fermentation alcoolique
Kloeckerade diverses espècesSaccharomyces uvarumet S. ellipsoideus
���� fermentation malolactiqueLactobacillusde diverses espèces
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I-1) Les boissons alcooliséesI-1a) le vinI-1b) le cidreI-1c) la bière
Grain d’orge germés ���� bièreAromatisation par le houblon
2 différences avec le vin et le cidre :
� amidon (sucre complexe) au lieu de sucres simples dans la matière première����2 étapes
���� hydrolyse enzymatique de l’amidon ����jus sucré : le brassage
���� fermentation alcooliquedu jus sucré
�Ajout nécessaire des micro-organismesaprès le brassage
Saccharomyces cerevisiae: levure de bièreSaccharomyces carlsbergensis
Production très importante de CO2 : mousse abondante
Processus comparable pour l’obtention du saké : alcool de riz
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I INDUSTRIE AGRO-ALIMENTAIREI-1) Les boissons alcoolisées I-2) Le pain
Fermentation alcooliqueégalement
Levain ajouté à la pâte pendant le pétrissage : - Saccharomyces cerevisiae
-d’autres levures ou des bactéries peuvent être ajoutées (pains spéciaux)
Amidon ����sucres simples ���� alcool + CO2
Fait lever la pâte grâce au CO2Modification également du gluten et ainsi de la texture de la pâte
Cuisson : l’alcool s’évaporeles bulles de CO2 persistent
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I INDUSTRIE AGRO-ALIMENTAIREI-1) Les boissons alcooliséesI-2) Le pain
I-3) L’industrie laitièreI-3a) les yaourts
�Les réactions chimiquesLes fermentations lactiquesLactose du lait ���� acide lactique : fermentation homolactiqueLactose du lait ���� acide lactique (produit principal)
+ alcools, + autres acides, + CO2 : fermentation hétérolactiqueex: kefir
Aliment « sucré »���� aliment acide
De plus ���� modification des protéines (caséine) par les mêmes micro-organismes ou par d’autres���� + modification des lipides
Aliment liquide ���� aliment solide
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� les principaux micro-organismes•••• Bactéries Gram + appelées ferments lactiques (~ 100 espèces) des genres suivants
Lactobacillus L. bulgaricus
Streptococcus pour f. homolactique S. thermophilus
Lactococcus
Bifidobacterium
Leuconostoc pour f. hétérolactiqueLactobacillus
Un yaourt contient 10 9 bactéries vivantes/g
• Dans certaines spécialités, on ajoute aux bactéries:- des levures (ex : kefir du Caucase)- des moisissures (ex: viili de Finlande)
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I-3b) les fromagesTransformations complexes du lait de vache,de chèvre, de brebis par les micro-organismes
� 3 étapes� production du caillé
Fermentation lactiquepar les bactéries lactiques(cf yaourts)
+ présured’origine animale ou fungique
Le lait coagule à pH <4,6 : caséine ���� gel + liquide (lactosérum = petit lait)
� égouttage du caillé•••• Lent ���� fromages frais (ex: fr.blanc)
fromages à pâte molle (ex: camembert, Munster, roquefort)
•••• Accéléré par pression ���� pâtes pressées (ex: St Nectaire); fr à pâte ferme (ex: Cantal)
•••• Accéléré par pression + cuisson ���� pâtes fermes cuites (ex: gruyère, Comté)
� salage et affinageAjout d’une flore spécifique à chaque fromage. Développement de la flore.Transformations microbiennes : Protéolyse, lipolyse, métabolisme des acides aminés, des composés soufrés…production d’arômes, de gaz, d’aldéhydes, d’alcools, d’ammoniac…
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L’affinage dure de 1 mois à 18 moisL’acidité du caillé diminue au cours de l’affinage : l’acide lactique est transformé par les micro organismes
� Exemples de micro-organismes� bactéries
� Bactéries lactiques : groupe prédominant: Streptococcus, LactobacillusLeuconostoc, Lactococcus
� Propionibacterium gruyères ���� beaucoup de gaz
�levuresSaccharomyces lactis
�MoisissuresPenicillium brie, camembert
roquefort, bleus…
Geotrichum camembert
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I INDUSTRIE AGRO-ALIMENTAIREI-1) Les boissons alcooliséesI-2) Le painI-3) L’industrie laitièreI-4) Les autres aliments fermentés
I-4a) végétaux�choucroute
f. lactique du chou par Leuconostocet Lactobacillus���� pH<2 Flore naturelle du chou+ NaCl 2 à 3% pour freiner le développement des Gram –
� olives, pickles (concombres, cornichons)Augmentation progressive du salage juqu’à 16% (saumure)f. lactiqueLactobacillus plantarumprincipalement
� sauce sojaFermentation d’un mélange salé de graines de soja et de blépar Aspergillus oryzae
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� vinaigreFermentation acétiqueJus de raisin ���� vin ���� vinaigreSucres éthanol acide acétique CH3-COOHAcetobacter, Gluconobacter
� divers végétaux fermentésThé (feuilles), café (grains), cacao (fèves), manioc, igname, maïs, soja
I-4b) produits animaux� saucissons, jambons fumés
f. lactiquePediococcus cerevisiae ; Lactobacillus plantarum
� préparations asiatiques de poissonf. lactiques ou f. complexes par bactéries et moisissures
I-5) Divers produits des fermentations microbiennesArômesAcide glutamique : acide aminé produit par Corynebacterium glutamicumAcide lactique, acide citrique, acide fumarique : conservateurs
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I INDUSTRIE AGRO-ALIMENTAIRE
II INDUSTRIES NON ALIMENTAIRES UTILISANT LES PRODUITS DE FERMENTATIONS
II-1) L’industrie chimiqueII-1a) solvants
Fermentation acétone-butylique→ Production d’acétone (A) + butanol (B) +
���� soit éthanol (fermentation ABE)���� soit isopropanol (fermentation ABI)
� Substrats végétaux : maïs et autres céréales, pommes de terre, topinambours, mélasse de canne à sucre, cellulose
� Bactéries : Clostridium dont C. acetobutylicum
autres bacilles Gram+ et Gram –
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II-1b) biocarburants et biogazAlternative à la pétrochimie? Problèmes de coût ?
� bioéthanolProduction d’éthanol par des levures (Saccharomyces) et/ou des bactéries
� « Filière sucre » : substrats végétaux contenant des (poly)saccharides : jus de betterave, mélasse de canne à sucre , amidons de blé, maïs …, paille, bois
� Utilisation dans l’industrie chimique
� Utilisation dans l’essence tel quel ou sous forme d’éthyltertiobutyléther(ETBE) ���� soit en faible proportion (5-25%)
���� soit en forte proportion (85%) voire pur
� biogazFermentation méthanique → production de méthane(65%) + CO2 (34%)� Phénomène naturel des marécages, rizières, décharges : ++++� Fermentation industrielle en « digesteur » par addition de bactéries: +� Substrats végétaux et animaux riches en glucides (amidon, cellulose) :
fumiers, lisiers, boues d’épuration, déchets agricoles, ordures ménagères� Récupération et valorisation des gaz (chaudières, moteurs, électricité,
transports…): +
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II-1c) écoplastiquesMatières plastiques biodégradables produites par fermentation bactérienne de sucres : amidon de pomme de terre, lactosérum, glucoseAlcaligenes eutrophus
II-2) Les antibiotiquesSusbstances antimicrobiennes produites par des micro-organismesProduction industrielle en « fermenteurs » et purification
MoisissuresPenicillium ���� pénicillinesCephalosporium���� céphalosporines
BactériesStreptomyces���� nombreuses familles d’antibiotiquesBacillus
II-3) Divers exemplesVitamines : riboflavine, ββββ−−−−carotène moisissuresHormones, hormones de croissance végétale moisissuresImmunosuppresseur : cyclosporine moisissuresInsecticides moisissuresEnzymes variées moisissures, bactériesPolysaccharides (dextranes, xanthanes) bactéries
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III BIOTECHNOLOGIESIII-1) Principes
� Modification du génome des micro-organismes par mutationIntérêt : améliorer leur métabolisme naturelEx : production d’alcool
�Introduction de gène(s) chez un micro-organismeConfère de nouvelles propriétés au micro-organisme : il va exprimer le produit de ces gènesIntérêts - améliorer une production : rendement, qualité
- produire pour la première fois par voie microbiologique
III-2) Quelques exemplesII-2a) médicaments
Hormone de croissance; InsulineInterféronAntibiotiques; Antitumoraux
II-2b) vaccinsHépatite B