Mise à l'échelle : Un guide complet de la fermentation commerciale

La fermentation est une pierre angulaire de nombreuses industries, de l'agroalimentaire aux produits pharmaceutiques et aux biocarburants. Bien qu'une fermentation réussie à l'échelle du laboratoire soit une réussite significative, transposer ce succès à la production commerciale nécessite une planification, une exécution et une optimisation minutieuses. Ce guide offre un aperçu complet des considérations clés et des meilleures pratiques pour la mise à l'échelle des processus de fermentation commerciale.

Pourquoi la mise à l'échelle de la fermentation est-elle un défi ?

La mise à l'échelle d'un processus de fermentation ne consiste pas simplement à augmenter le volume. Plusieurs facteurs, facilement contrôlables à petite échelle, deviennent beaucoup plus complexes à mesure que le processus s'agrandit. Parmi ceux-ci, on retrouve :

Transfert de chaleur : Maintenir une température optimale est crucial pour la croissance microbienne et la formation de produits. Les bioréacteurs plus grands ont un rapport surface/volume plus faible, ce qui rend l'évacuation de la chaleur plus difficile. Un refroidissement inadéquat peut entraîner une surchauffe et la mort cellulaire, tandis qu'un refroidissement excessif peut ralentir le processus de fermentation.
Transfert de masse : Le transfert d'oxygène est souvent un facteur limitant dans les fermentations aérobies. À mesure que la densité de la culture augmente, la demande en oxygène augmente. Assurer un apport suffisant en oxygène dans tout le bioréacteur devient de plus en plus difficile à plus grande échelle. Le mélange, l'aération et la conception du réacteur jouent un rôle crucial dans l'efficacité du transfert d'oxygène.
Mélange : Un mélange efficace est essentiel pour maintenir l'homogénéité, distribuer les nutriments et éliminer les sous-produits métaboliques. Un mauvais mélange peut entraîner des gradients de pH, de température et de concentration en nutriments, ce qui peut avoir un impact négatif sur la croissance cellulaire et la formation de produits. Le type et la configuration des agitateurs, la conception des chicanes et la vitesse de mélange doivent être soigneusement étudiés.
Contrainte de cisaillement : Une contrainte de cisaillement excessive due aux agitateurs peut endommager les cellules, en particulier celles qui y sont sensibles. L'optimisation de la conception de l'agitateur et de la vitesse de mélange est cruciale pour minimiser la contrainte de cisaillement tout en maintenant un mélange adéquat. Certaines cellules (par exemple, les champignons filamenteux) sont plus sensibles aux dommages par cisaillement que d'autres.
Stérilité : Le maintien de la stérilité est primordial dans les processus de fermentation. Le risque de contamination augmente avec la taille et la complexité du bioréacteur. Des procédures de stérilisation robustes, des techniques aseptiques et des systèmes fermés sont essentiels pour prévenir la contamination et garantir la qualité du produit.
Contrôle du pH : Maintenir la plage de pH optimale est essentiel pour l'activité enzymatique et la viabilité cellulaire. Au fur et à mesure que la fermentation progresse, la production d'acides ou de bases peut entraîner d'importantes fluctuations de pH. Un contrôle précis du pH nécessite des systèmes de surveillance et de contrôle sophistiqués.
Surveillance et contrôle des processus : Une surveillance et un contrôle efficaces des paramètres critiques du processus (par exemple, température, pH, oxygène dissous, niveaux de nutriments) sont cruciaux pour une performance et une qualité de produit constantes. Des systèmes de surveillance en temps réel et de contrôle automatisé sont essentiels pour les fermentations à grande échelle.
Changements métaboliques dépendants de l'échelle : Les cellules peuvent se comporter différemment dans les fermenteurs à grande échelle par rapport aux cultures à petite échelle. Des facteurs tels que la disponibilité de l'oxygène, la contrainte de cisaillement et les gradients de nutriments peuvent altérer les voies métaboliques et affecter le rendement et la qualité du produit. Ces changements doivent être soigneusement étudiés et pris en compte lors de la mise à l'échelle.

Étapes de la mise à l'échelle de la fermentation

Le processus de mise à l'échelle comprend généralement plusieurs étapes, chacune avec ses propres objectifs et défis :

1. Développement de la culture d'inoculum

La culture d'inoculum (ou culture de départ) sert à ensemencer le fermenteur de production. Il est crucial de développer une culture d'inoculum saine, en croissance active et exempte de contamination. Cela implique généralement plusieurs étapes de croissance, en partant d'une culture mère cryoconservée et en progressant à travers des fioles agitées, de petits bioréacteurs, pour finalement arriver à un fermenteur d'inoculum. La culture d'inoculum doit être physiologiquement similaire aux cellules souhaitées dans le fermenteur de production.

Exemple : Une entreprise pharmaceutique développant un nouvel antibiotique pourrait commencer avec une souche mère congelée du micro-organisme producteur. Cette souche est réactivée dans une fiole agitée, puis transférée dans un petit bioréacteur (par exemple, 2L). La biomasse de ce bioréacteur ensemence ensuite un fermenteur d'inoculum plus grand (par exemple, 50L), qui fournit l'inoculum pour le fermenteur de production.

2. Fermentation à l'échelle pilote

La fermentation à l'échelle pilote fait le pont entre le laboratoire et la production industrielle. Elle permet de tester et d'optimiser le processus de fermentation dans des conditions qui ressemblent davantage à l'environnement de production à grande échelle. Les études à l'échelle pilote aident à identifier les problèmes potentiels de mise à l'échelle et à affiner les paramètres de fonctionnement. Ces expériences impliquent généralement des bioréacteurs allant de 50L à 500L.

Exemple : Une entreprise de biocarburants pourrait utiliser un bioréacteur de 100L pour évaluer la performance d'une nouvelle souche de levure génétiquement modifiée pour la production d'éthanol. Ils optimiseraient des paramètres tels que la température, le pH et les débits d'alimentation en nutriments pour maximiser le rendement et la productivité en éthanol.

3. Fermentation à l'échelle de production

L'étape finale est la fermentation à l'échelle de production, où le produit est fabriqué en grandes quantités pour la vente commerciale. Les bioréacteurs à l'échelle de production peuvent varier de plusieurs milliers de litres à des centaines de milliers de litres. Maintenir des performances et une qualité de produit constantes à cette échelle exige une attention méticuleuse aux détails et des systèmes de contrôle de processus robustes.

Exemple : Une brasserie pourrait utiliser un fermenteur de 10 000L pour produire de la bière à l'échelle commerciale. Ils surveilleraient attentivement la température, le pH et les niveaux d'oxygène dissous pour garantir une saveur et une qualité constantes.

Considérations clés pour la mise à l'échelle de la fermentation

1. Conception du bioréacteur

Le bioréacteur est le cœur du processus de fermentation. Le choix de la bonne conception de bioréacteur est crucial pour une mise à l'échelle réussie. Key considerations include:

Type de bioréacteur : Différents types de bioréacteurs sont adaptés à différentes applications. Les réacteurs à cuve agitée sont le type le plus courant, mais d'autres options incluent les réacteurs à circulation d'air (air-lift), les réacteurs à colonne à bulles et les réacteurs à lit fixe. Le choix dépend des exigences spécifiques du processus de fermentation, telles que le type de micro-organisme, la demande en oxygène et la sensibilité à la contrainte de cisaillement.
Système de mélange : Le système de mélange doit assurer une agitation adéquate pour l'homogénéité, la distribution des nutriments et le transfert d'oxygène. Les types d'agitateurs courants comprennent les turbines de Rushton, les turbines à pales inclinées et les hélices marines. Le nombre et la configuration des agitateurs, la conception des chicanes et la vitesse de mélange doivent être optimisés pour le bioréacteur et le processus de fermentation spécifiques.
Système d'aération : Le système d'aération (sparging) introduit de l'air ou de l'oxygène dans le bioréacteur. Le type et la taille de l'aérateur, le débit de gaz et la composition du gaz doivent être soigneusement contrôlés pour optimiser le transfert d'oxygène sans provoquer de moussage excessif ou de dommages cellulaires.
Système de transfert de chaleur : Le système de transfert de chaleur doit maintenir le bioréacteur à la température optimale pour la croissance cellulaire et la formation de produits. Cela implique généralement une cuve à double enveloppe avec circulation de fluide de refroidissement ou de chauffage. La capacité de transfert de chaleur doit être suffisante pour évacuer la chaleur générée par le processus de fermentation.
Instrumentation et contrôle : Le bioréacteur doit être équipé de capteurs et de systèmes de contrôle pour surveiller et réguler les paramètres critiques du processus tels que la température, le pH, l'oxygène dissous et les niveaux de nutriments. Des systèmes de contrôle automatisés sont essentiels pour maintenir des performances et une qualité de produit constantes.

2. Optimisation des procédés

L'optimisation des procédés consiste à identifier et à optimiser les paramètres clés du processus qui affectent la croissance cellulaire, la formation de produits et la qualité du produit. Cela implique généralement une combinaison d'études expérimentales et de modélisation mathématique.

Optimisation du milieu : Le milieu de fermentation doit fournir tous les nutriments nécessaires à la croissance cellulaire et à la formation de produits. L'optimisation de la composition du milieu peut améliorer considérablement le rendement et la productivité. Cela peut impliquer de faire varier les concentrations de sources de carbone, de sources d'azote, de vitamines et de minéraux. Les plans d'expériences statistiques, tels que la méthodologie des surfaces de réponse (MSR), peuvent être utilisés pour optimiser efficacement la composition du milieu.
Optimisation de la température : La température optimale pour la croissance cellulaire et la formation de produits dépend du micro-organisme spécifique. La température peut affecter l'activité enzymatique, la fluidité de la membrane et la stabilité des protéines. La température optimale doit être déterminée expérimentalement.
Optimisation du pH : La plage de pH optimale pour la croissance cellulaire et la formation de produits dépend également du micro-organisme spécifique. Le pH peut affecter l'activité enzymatique, la perméabilité de la membrane cellulaire et la solubilité des protéines. Un contrôle précis du pH est essentiel pour une performance de fermentation optimale.
Optimisation de l'oxygène dissous : Le maintien de niveaux adéquats d'oxygène dissous est crucial pour les fermentations aérobies. Le niveau optimal d'oxygène dissous dépend de la demande en oxygène du micro-organisme et de la capacité de transfert d'oxygène du bioréacteur. Les niveaux d'oxygène dissous peuvent être contrôlés en ajustant la vitesse d'agitation, le taux d'aération et l'enrichissement en oxygène.
Stratégies d'alimentation : Pour les fermentations en mode fed-batch (semi-continu) et continu, le débit et la composition de l'alimentation doivent être soigneusement optimisés pour maximiser le rendement et la productivité du produit. Des stratégies de contrôle par rétroaction peuvent être utilisées pour ajuster le débit d'alimentation en fonction des mesures en temps réel de la concentration en glucose, du pH ou de l'oxygène dissous.

3. Surveillance et contrôle

Une surveillance et un contrôle efficaces des paramètres critiques du processus sont essentiels pour des performances et une qualité de produit constantes. Cela nécessite l'utilisation de capteurs, de systèmes de contrôle et de techniques d'analyse de données appropriés.

Capteurs : Divers capteurs sont disponibles pour surveiller les paramètres critiques du processus, notamment la température, le pH, l'oxygène dissous, la concentration en glucose, la concentration en biomasse et la concentration en produit. Le choix du capteur dépend du paramètre spécifique mesuré et des exigences du processus de fermentation.
Systèmes de contrôle : Des systèmes de contrôle automatisés sont utilisés pour réguler les paramètres du processus en fonction des retours des capteurs. Les systèmes de contrôle courants incluent les contrôleurs PID (proportionnel-intégral-dérivé), qui ajustent les variables manipulées (par exemple, la température, le pH, la vitesse d'agitation) pour maintenir les points de consigne souhaités.
Analyse des données : Les données collectées par les capteurs et les systèmes de contrôle peuvent être analysées pour identifier les tendances, détecter les anomalies et optimiser les performances du processus. Les techniques de maîtrise statistique des procédés (MSP) peuvent être utilisées pour surveiller la variabilité du processus et identifier les problèmes potentiels avant qu'ils n'affectent la qualité du produit.
Technologie d'analyse des procédés (PAT) : La PAT est un cadre pour la conception, l'analyse et le contrôle des processus de fabrication grâce à des mesures opportunes des attributs de qualité critiques (CQA) et des paramètres de processus critiques (CPP). La PAT vise à améliorer la compréhension du processus, à réduire la variabilité et à améliorer la qualité du produit.

4. Assurance de la stérilité

Le maintien de la stérilité est primordial dans les processus de fermentation. La contamination peut entraîner la détérioration du produit, une réduction du rendement et même un échec complet du processus. La mise en œuvre de procédures de stérilisation robustes et de techniques aseptiques est essentielle.

Stérilisation de l'équipement : Tout l'équipement qui entre en contact avec le bouillon de fermentation, y compris le bioréacteur, les tuyauteries et les capteurs, doit être soigneusement stérilisé avant utilisation. La stérilisation à la vapeur est la méthode la plus courante, mais d'autres options incluent l'autoclavage, la filtration et la stérilisation chimique.
Stérilisation des milieux : Le milieu de fermentation doit également être stérilisé pour éliminer tout micro-organisme contaminant. Cela se fait généralement par autoclavage ou par filtration stérilisante.
Techniques aseptiques : Toutes les opérations qui impliquent l'ouverture du bioréacteur ou l'introduction de matériaux dans le bouillon de fermentation doivent être effectuées en utilisant des techniques aseptiques. Cela inclut l'utilisation d'équipement stérile, le port de gants stériles et le travail dans un environnement propre.
Filtration de l'air : L'air entrant dans le bioréacteur doit être filtré à travers des filtres stériles pour éliminer tout micro-organisme en suspension dans l'air.
Systèmes fermés : L'utilisation de systèmes fermés minimise le risque de contamination. Cela implique de connecter tout l'équipement et la tuyauterie en boucle fermée et d'éviter tout transfert ouvert de matériaux.

5. Contrôle de la mousse

La formation de mousse est un problème courant dans les processus de fermentation, en particulier ceux impliquant des protéines ou des tensioactifs. Une mousse excessive peut entraîner une réduction du transfert d'oxygène, une contamination et une perte de produit. La mousse peut être contrôlée en ajoutant des agents antimousse ou en utilisant des brise-mousse mécaniques.

Agents antimousse : Les agents antimousse sont des produits chimiques qui réduisent la tension superficielle du bouillon de fermentation, empêchant la formation de mousse. Les agents antimousse courants comprennent les silicones, les huiles végétales et les acides gras. Le choix de l'agent antimousse dépend du processus de fermentation spécifique et de la sensibilité du micro-organisme.
Brise-mousse mécaniques : Les brise-mousse mécaniques utilisent des pales rotatives ou d'autres dispositifs pour briser physiquement la mousse. Ils sont souvent utilisés en conjonction avec des agents antimousse.

Stratégies pour une mise à l'échelle réussie

1. Approche QbD (Quality by Design / Qualité par la conception)

La QbD est une approche systématique du développement qui commence par des objectifs prédéfinis et met l'accent sur la compréhension du produit et du processus, ainsi que sur le contrôle du processus. L'application des principes de la QbD à la mise à l'échelle de la fermentation aide à garantir une qualité et des performances de produit constantes.

Les éléments clés de la QbD incluent :

Définition du profil de qualité cible du produit (QTPP) : Le QTPP décrit les caractéristiques souhaitées du produit final, telles que la pureté, la puissance et la stabilité.
Identification des attributs de qualité critiques (CQA) : Les CQA sont les propriétés physiques, chimiques, biologiques ou microbiologiques qui doivent être contrôlées pour garantir la qualité souhaitée du produit.
Identification des paramètres de processus critiques (CPP) : CPPs are the process parameters that can affect the CQAs.
Établissement de l'espace de conception : L'espace de conception est la combinaison multidimensionnelle et l'interaction des variables d'entrée (par exemple, les CPP) et des paramètres de processus qui ont démontré qu'ils garantissaient la qualité. Travailler dans l'espace de conception garantit que le produit répond aux attributs de qualité souhaités.
Mise en œuvre d'une stratégie de contrôle : La stratégie de contrôle décrit comment les CPP seront surveillés et contrôlés pour s'assurer que le processus reste dans l'espace de conception et que le produit répond aux attributs de qualité souhaités.

2. Mécanique des fluides numérique (CFD)

La CFD (Computational Fluid Dynamics) est un outil puissant pour simuler l'écoulement des fluides, le transfert de chaleur et le transfert de masse dans les bioréacteurs. Les simulations CFD peuvent être utilisées pour optimiser la conception des bioréacteurs, les systèmes de mélange et les systèmes d'aération. Elles peuvent également aider à identifier des problèmes potentiels tels que les zones mortes et les points chauds de contrainte de cisaillement. La CFD peut réduire le nombre d'expériences pilotes coûteuses et longues nécessaires à la mise à l'échelle.

3. Modèles à échelle réduite

Les modèles à échelle réduite sont des bioréacteurs de petite taille conçus pour imiter les conditions d'un bioréacteur de production à grande échelle. Les modèles à échelle réduite peuvent être utilisés pour étudier les effets de différents paramètres de processus sur la croissance cellulaire, la formation de produits et la qualité du produit. Ils peuvent également être utilisés pour résoudre les problèmes qui surviennent lors de la mise à l'échelle. Des modèles à échelle réduite bien caractérisés peuvent fournir des informations précieuses et accélérer le processus de développement.

4. Modélisation et simulation de processus

La modélisation et la simulation de processus peuvent être utilisées pour prédire le comportement du processus de fermentation à différentes échelles et dans différentes conditions de fonctionnement. Des modèles mathématiques peuvent être développés sur la base des principes fondamentaux du transfert de masse, du transfert de chaleur et de la cinétique de réaction. Ces modèles peuvent être utilisés pour optimiser les paramètres du processus, concevoir des stratégies de contrôle et résoudre des problèmes. Des outils comme MATLAB, gPROMS et Aspen Plus peuvent être utilisés pour la modélisation et la simulation de processus.

Considérations sur le traitement en aval

Les considérations de mise à l'échelle s'étendent au-delà du processus de fermentation lui-même. Le traitement en aval (downstream processing), qui consiste à séparer et à purifier le produit du bouillon de fermentation, doit également être mis à l'échelle. Le choix des techniques de traitement en aval dépend de la nature du produit, de sa concentration et de la pureté souhaitée. Les techniques courantes de traitement en aval comprennent :

Séparation des cellules : L'élimination des cellules du bouillon de fermentation est souvent la première étape du traitement en aval. Cela peut se faire par centrifugation, filtration ou microfiltration.
Lyse cellulaire : Si le produit est intracellulaire, les cellules doivent être lysées (disruption) pour libérer le produit. Cela peut se faire par des méthodes mécaniques (par exemple, homogénéisation, broyage à billes) ou chimiques (par exemple, lyse enzymatique).
Isolation du produit : Le produit peut être isolé du bouillon de fermentation par une variété de techniques, notamment la précipitation, l'extraction et l'adsorption.
Purification du produit : Le produit est généralement purifié par des techniques chromatographiques, telles que la chromatographie d'affinité, la chromatographie par échange d'ions et la chromatographie d'exclusion stérique.
Formulation du produit : L'étape finale du traitement en aval consiste à formuler le produit sous une forme stable et utilisable. Cela peut impliquer l'ajout d'excipients, de stabilisants et de conservateurs.

Exemples mondiaux de mise à l'échelle réussie de la fermentation

Plusieurs industries à travers le monde dépendent fortement de la réussite de la mise à l'échelle de la fermentation. Voici quelques exemples :

Industrie pharmaceutique (Monde) : La production d'antibiotiques, de vaccins et d'autres produits biopharmaceutiques repose sur la fermentation à grande échelle de micro-organismes ou de cultures cellulaires. Des entreprises comme Pfizer, Roche et Novartis exploitent d'immenses installations de fermentation dans le monde entier.
Industrie agroalimentaire (Europe, Amérique du Nord, Asie) : La production de bière, de vin, de yaourt, de fromage et d'autres aliments et boissons fermentés repose sur des processus de fermentation contrôlés. Des entreprises comme Anheuser-Busch InBev (Belgique), Danone (France) et Kirin Brewery (Japon) ont perfectionné la mise à l'échelle de la fermentation au fil des ans.
Industrie des biocarburants (Brésil, États-Unis) : La production d'éthanol à partir de canne à sucre (Brésil) et de maïs (États-Unis) implique la fermentation à grande échelle de sucres par des levures. Des entreprises comme Raizen (Brésil) et Archer Daniels Midland (États-Unis) exploitent des installations de production de biocarburants à grande échelle.
Biotechnologie industrielle (Danemark, Allemagne, Chine) : La production d'enzymes, de bioplastiques et d'autres produits biosourcés repose sur la fermentation de micro-organismes génétiquement modifiés. Des entreprises comme Novozymes (Danemark), BASF (Allemagne) et Amyris (États-Unis) sont des leaders dans ce domaine.

Dépannage des problèmes courants de mise à l'échelle

Malgré une planification et une exécution minutieuses, des problèmes peuvent toujours survenir lors de la mise à l'échelle de la fermentation. Voici quelques problèmes courants et leurs solutions potentielles :

Rendement de produit réduit : Cela peut être dû à des changements dans les voies métaboliques, des limitations en nutriments ou une accumulation de sous-produits inhibiteurs. Révisez la composition du milieu, optimisez les stratégies d'alimentation et assurez un transfert d'oxygène adéquat.
Risque de contamination accru : Cela peut être dû à des procédures de stérilisation inadéquates ou à des manquements aux techniques aseptiques. Révisez les protocoles de stérilisation, améliorez la filtration de l'air et mettez en œuvre des procédures aseptiques plus strictes.
Surproduction de mousse : Cela peut être dû à des changements dans la composition du milieu ou la physiologie cellulaire. Optimisez l'ajout d'agent antimousse ou installez un brise-mousse mécanique.
Changements dans la morphologie cellulaire : Cela peut être dû à des changements dans la contrainte de cisaillement ou les gradients de nutriments. Optimisez la conception de l'agitateur, la vitesse de mélange et les stratégies d'alimentation.
Instabilité du produit : Cela peut être dû à des changements de pH, de température ou à la présence d'enzymes dégradantes. Optimisez les paramètres du processus et ajoutez des stabilisants au milieu.

Tendances futures de la mise à l'échelle de la fermentation

Le domaine de la fermentation est en constante évolution. Certaines des tendances clés qui façonnent l'avenir de la mise à l'échelle de la fermentation incluent :

Fermentation continue : La fermentation continue offre plusieurs avantages par rapport à la fermentation discontinue (batch), notamment une productivité plus élevée, des coûts d'exploitation plus faibles et une qualité de produit plus constante.
Bioréacteurs à usage unique : Les bioréacteurs à usage unique éliminent le besoin de nettoyage et de stérilisation, réduisant ainsi le risque de contamination et simplifiant les opérations.
Contrôle avancé des processus : Des techniques de contrôle avancé des processus, telles que le contrôle prédictif par modèle (MPC) et l'apprentissage automatique (machine learning), sont utilisées pour optimiser les processus de fermentation en temps réel.
Biologie synthétique : La biologie synthétique est utilisée pour concevoir des micro-organismes dotés de capacités métaboliques et de productivités améliorées.
Communautés microbiennes : L'exploitation de communautés et de consortiums microbiens peut débloquer de nouvelles voies métaboliques et améliorer l'efficacité des bioprocédés.

Conclusion

La mise à l'échelle des processus de fermentation commerciale est une étape complexe mais essentielle pour commercialiser des bioproduits. En tenant compte attentivement des facteurs clés abordés dans ce guide, notamment la conception du bioréacteur, l'optimisation des procédés, la surveillance et le contrôle, l'assurance de la stérilité et le contrôle de la mousse, les entreprises peuvent réussir la mise à l'échelle de leurs processus de fermentation et atteindre une qualité et des performances de produit constantes. L'adoption de nouvelles technologies et méthodologies, telles que la QbD, la CFD, les modèles à échelle réduite et le contrôle avancé des processus, améliorera encore l'efficacité et la robustesse des opérations de fermentation commerciale dans le monde entier.