Fermentation

Arbre phylogénétique des bactéries et des archées, mettant en évidence celles qui réalisent la fermentation. Leurs produits finaux sont également indiqués. Figure modifiée d'après Hackmann (2024).

La fermentation est un type de métabolisme anaérobie qui exploite le potentiel redox des réactifs pour produire de l'adénosine triphosphate (ATP) et des produits finaux organiques. Les molécules organiques , telles que le glucose ou d'autres sucres, sont catabolisées et leurs électrons sont transférés à d'autres molécules organiques (cofacteurs, coenzymes, etc.). La glycolyse anaérobie est un terme apparenté utilisé pour décrire la fermentation chez les organismes (généralement des organismes multicellulaires comme les animaux) lorsque la respiration aérobie ne peut satisfaire la demande en ATP, en raison d'un apport insuffisant en oxygène ou de conditions anaérobies.

La fermentation joue un rôle important dans plusieurs aspects de la société humaine. L'homme utilise la fermentation pour la production et la conservation des aliments depuis 13 000 ans . Elle est associée à des bienfaits pour la santé, à des profils aromatiques uniques et à une meilleure texture des produits. L'homme et son bétail bénéficient également de la fermentation grâce aux micro-organismes intestinaux qui libèrent des produits finaux utilisés ensuite par l'hôte comme source d'énergie. L'utilisation la plus connue de la fermentation est sans doute son application industrielle à la production de produits chimiques de base, tels que l'éthanol et le lactate. L'éthanol est utilisé dans diverses boissons alcoolisées (bières, vins et spiritueux), tandis que le lactate peut être neutralisé en acide lactique et utilisé pour la conservation des aliments, comme agent de salaison ou comme agent aromatisant

Ce métabolisme complexe utilise une grande variété de substrats et peut former près de 300 combinaisons différentes de produits finaux. La fermentation a lieu aussi bien chez les procaryotes que chez les eucaryotes. La découverte de nouveaux produits finaux et de nouveaux organismes fermentaires suggère que la fermentation est plus diversifiée que ce qui a été étudié jusqu'à présent.

catabolisme où des composés organiques sont à la fois donneurs et accepteurs d'électrons » Cette définition distingue la fermentation de la respiration aérobie (où l'oxygène est l'accepteur) et de certains types de respiration anaérobie (où une espèce inorganique est l'accepteur) . Cependant, cette définition n'englobe pas toutes les formes de fermentation. Par exemple, la fermentation propionique utilise le dihydrogène (H₂ ₎ comme donneur d'électrons, ou la seconde étape de la fermentation butyrique utilise le dioxyde de carbone (CO₂ ₎_comme accepteur d'électrons. Il est donc plus simple d'utiliser cette définition, tout en reconnaissant que les protons peuvent également être utilisés comme donneurs d'électrons et le CO₂ comme accepteur

En 1876, avant la découverte de la respiration anaérobie, Louis Pasteur la décrivait comme « la vie sans air ». On définissait alors couramment la fermentation en fonction de son mode de production d'ATP, c'est-à-dire un catabolisme produisant de l'ATP uniquement par phosphorylation au niveau du substrat .

La fermentation industrielle est un autre type de fermentation qui est définie de manière vague comme un processus de fabrication biologique à grande échelle ; cependant, cette définition se concentre sur le processus de fabrication plutôt que sur les détails métaboliques.

Rôle biologique et prévalence

La fermentation permet aux organismes de générer un gain net d'ATP à partir de sources exogènes de molécules organiques, comme le glucose. Elle ne constituait pas une source d'énergie nette pour les premières formes de vie, car il s'agissait principalement d'organismes unicellulaires vivant dans l'océan, et ce dernier ne contient pas de concentrations significatives de molécules organiques complexes.

La fermentation, ne nécessitant pas d'accepteur d'électrons exogène, peut se produire quelles que soient les conditions environnementales. Cependant, son principal inconvénient réside dans son faible rendement : elle ne produit que 2 à 5 molécules d'ATP par molécule de glucose, contre 32 molécules d'ATP lors de la respiration aérobie.

Plus de 25 % des bactéries et des archées sont capables de fermentation. La fermentation est particulièrement fréquente chez les procaryotes du phylum Bacillota , mais très rare chez les Actinomycetota , d'après les analyses phylogénétiques. Les micro-organismes fermentaires se rencontrent le plus souvent dans des habitats associés à l'hôte, comme le tractus gastro-intestinal, mais aussi dans les sédiments, les aliments et d'autres milieux. Bactéries et archées possèdent la capacité de fermentation, ce qui conduit à une grande variété de produits finaux organiques. Parmi les produits de fermentation les plus courants, on trouve le lactate, l'acétate, l'éthanol, le dioxyde de carbone (CO₂ ₎ , le succinate , l'hydrogène (H₂ ₎ , le propionate et le butyrate.

Chez l'humain, les voies de fermentation se produisent aussi bien en bonne santé, comme lors d'un effort physique, qu'en cas de maladie, comme lors d' une septicémie ou d'un choc hémorragique , fournissant de l'énergie pendant une période allant de 10 secondes à 2 minutes. Durant ce laps de temps, elles peuvent compléter l'énergie produite par le métabolisme aérobie , mais sont limitées par l'accumulation de lactate. Le repos devient alors nécessaire.

Substrats et produits de la fermentation

Comme de nombreuses réactions biochimiques, la fermentation est une réaction enzymatique visant soit à modifier le substrat initial, soit à former un métabolite utile. Lorsque la fermentation naturelle est réalisée par des micro-organismes, l'objectif est généralement d'obtenir des produits métaboliques utiles tels que l'ATP, le pyruvate ou l'acide lactique. Les substrats utilisés dans ce type de fermentation sont souvent des sucres simples (glucides) qui servent de source de carbone. Ce type de fermentation peut être réalisé par des micro-organismes et par l'homme.

L'utilisation des aliments comme substrat de fermentation est l'application anthropique la plus courante et la plus ancienne de la fermentation, car elle constituait une méthode de conservation. Cela inclut les céréales, les produits laitiers, le riz, le miel, le pain et les bières. Ce type de fermentation naturelle continue d'être exploité par l'homme pour ses propriétés de conservation, ses profils aromatiques et ses textures. Les progrès réalisés dans le domaine de la fermentation ont permis l'ingénierie et l'industrialisation de micro-organismes et de substrats spécifiques afin d'obtenir des profils aromatiques et de textures précis – ce qui est particulièrement visible lors de la fermentation de la bière .

Aperçu biochimique

Lors de la fermentation d'un composé organique, celui-ci est décomposé en une molécule plus simple et libère des électrons. Ces électrons sont transférés à un cofacteur redox qui, à son tour, les transfère à un autre composé organique. L'ATP est généré au cours de ce processus ; il peut être formé par phosphorylation au niveau du substrat ou par l'ATP synthase .

Lors de la fermentation du glucose, celui-ci entre dans la glycolyse ou la voie des pentoses phosphates et est converti en pyruvate . À partir du pyruvate, plusieurs voies métaboliques se ramifient pour former divers produits finaux (par exemple, le lactate). À différentes étapes de cette voie, des électrons sont libérés et captés par des cofacteurs redox ( NAD et ferrédoxine ). Plus tard, ces cofacteurs cèdent des électrons à leur accepteur final et sont oxydés. L'ATP est également formé à plusieurs étapes de cette voie métabolique.

Biochimie des produits individuels

Éthanol

de dioxyde de carbone (CO₂ _{) .} Ce processus est utilisé pour faire lever la pâte à pain : le dioxyde de carbone forme des bulles, ce qui fait gonfler la pâte et la transforme en mousse. L'éthanol est l'agent enivrant des boissons alcoolisées telles que le vin, la bière et les spiritueux. La fermentation de matières premières comme la canne à sucre , le maïs et la betterave sucrière produit de l'éthanol qui est ajouté à l'essence . Chez certaines espèces de poissons, comme la carpe , il fournit de l'énergie en cas de raréfaction de l'oxygène (en association avec la fermentation lactique).

Avant la fermentation, une molécule de glucose est décomposée en deux molécules de pyruvate ( glycolyse ). L'énergie de cette réaction exothermique est utilisée pour fixer les phosphates inorganiques à l'ADP, qui est converti en ATP, et pour convertir le NAD ⁺ en NADH. Les pyruvates sont décomposés en deux molécules d'acétaldéhyde et libèrent deux molécules de dioxyde de carbone comme déchets. L'acétaldéhyde est réduit en éthanol grâce à l'énergie et à l'hydrogène provenant du NADH, et le NADH est oxydé en NAD ⁺ afin que le cycle puisse se répéter. La réaction est catalysée par les enzymes pyruvate décarboxylase et alcool déshydrogénase.

Histoire de la fermentation du bioéthanol

Samuel Morey , un inventeur américain, fut le premier à produire de l'éthanol par fermentation de maïs en 1826. Cependant, il fallut attendre la ruée vers l'or en Californie dans les années 1850 pour que l'éthanol soit utilisé comme carburant aux États-Unis. Rudolf Diesel fit la démonstration de son moteur, capable de fonctionner aux huiles végétales et à l'éthanol, en 1895, mais la généralisation des moteurs diesel à base de pétrole contribua au déclin de l'éthanol. Dans les années 1970, la crise pétrolière raviva l'intérêt pour l'éthanol, et le Brésil devint un chef de file dans sa production et son utilisation. Les États-Unis commencèrent à produire de l'éthanol à grande échelle dans les années 1980 et 1990, en tant qu'additif à l'essence, sous la pression de la réglementation gouvernementale. Aujourd'hui, l'éthanol continue d'être exploré comme source d'énergie durable et renouvelable, et les chercheurs développent de nouvelles technologies et sources de biomasse pour sa production.

1826 : Samuel Morey , un inventeur américain, fut le premier à produire de l’éthanol par fermentation du maïs. Cependant, l’éthanol ne fut pas largement utilisé comme carburant avant plusieurs années plus tard. (1)
Années 1850 : L’éthanol fut utilisé pour la première fois comme combustible aux États-Unis lors de la ruée vers l’or en Californie . Les mineurs l’utilisaient comme combustible pour les lampes et les poêles car il était moins cher que l’huile de baleine. (2)
1895 : L’ingénieur allemand Rudolf Diesel présente son moteur, conçu pour fonctionner aux huiles végétales, notamment à l’éthanol. Cependant, la généralisation des moteurs diesel alimentés au pétrole rend l’éthanol moins populaire comme carburant. (3)
1970s: The oil crisis of the 1970s led to renewed interest in ethanol as a fuel. Brazil became a leader in ethanol production and use, due in part to government policies that encouraged the use of biofuels. (4)
1980s–1990s: The United States began to produce ethanol on a large scale as a fuel additive to gasoline. This was due to the passage of the Clean Air Act in 1990, which required the use of oxygenates, such as ethanol, to reduce emissions. (5)
2000s–present: There has been continued interest in ethanol as a renewable and sustainable fuel. Researchers are exploring new sources of biomass for ethanol production, such as switchgrass and algae, and developing new technologies to improve the efficiency of the fermentation process. (6)

Lactate

Pyruvate is the terminal electron acceptor in lactic acid fermentation, and homolactic fermentation (producing only lactic acid) is the simplest type of fermentation. Pyruvate from glycolysis undergoes a simple redox reaction, forming lactic acid. Overall, one molecule of glucose (or any six-carbon sugar) is converted to two molecules of lactic acid:

C₆H₁₂O₆ → 2 CH₃CHOHCOOH

It occurs in the muscles of animals when they need energy faster than the blood can supply oxygen. (In mammals, lactate can be transformed by the liver back into glucose using the Cori cycle.) It also occurs in some kinds of bacteria (such as lactobacilli) and some fungi. It is the type of bacteria that convert lactose into lactic acid in yogurt, giving it its sour taste. These lactic acid bacteria can carry out either homolactic fermentation, where the end-product is mostly lactic acid, or heterolactic fermentation, where some lactate is further metabolized to ethanol and carbon dioxide (via the phosphoketolase pathway), acetate, or other metabolic products, e.g.:

C₆H₁₂O₆ → CH₃CHOHCOOH + C₂H₅OH + CO₂

If lactose is fermented (as in yogurts and cheeses), it is first converted into glucose and galactose (both six-carbon sugars with the same atomic formula):

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O → 2 C₆H₁₂O₆

Heterolactic fermentation is in a sense intermediate between lactic acid fermentation and other types, e.g. alcoholic fermentation. Reasons to go further and convert lactic acid into something else include:

The acidity of lactic acid impedes biological processes. This can be beneficial to the fermenting organism as it drives out competitors that are unadapted to the acidity. As a result, the food will have a longer shelf life (one reason foods are purposely fermented in the first place); however, beyond a certain point, the acidity starts affecting the organism that produces it.
The high concentration of lactic acid (the final product of fermentation) drives the equilibrium backwards (Le Chatelier's principle), decreasing the rate at which fermentation can occur and slowing down growth.
Ethanol, into which lactic acid can be easily converted, is volatile and will readily escape, allowing the reaction to proceed easily. CO₂ is also produced, but it is only weakly acidic and even more volatile than ethanol.
Acetic acid (another conversion product) is acidic and not as volatile as ethanol; however, in the presence of limited oxygen, its creation from lactic acid releases additional energy. It is a lighter molecule than lactic acid, forming fewer hydrogen bonds with its surroundings (due to having fewer groups that can form such bonds), thus is more volatile and will also allow the reaction to proceed more quickly.
If propionic acid, butyric acid, and longer monocarboxylic acids are produced, the amount of acidity produced per glucose consumed will decrease, as with ethanol, allowing faster growth.

Hydrogen gas

L'hydrogène gazeux est produit dans de nombreux types de fermentation comme moyen de régénérer le NAD ⁺ à partir du NADH. Les électrons sont transférés à la ferrédoxine , qui est ensuite oxydée par l'hydrogénase , produisant du H2 _. [ hydrogène gazeux est un substrat pour les méthanogènes et les sulfato-réducteurs , qui maintiennent la concentration d'hydrogène basse et favorisent la production de ce composé riche en énergie, mais l'hydrogène gazeux peut néanmoins être formé à une concentration relativement élevée, comme dans les flatulences .Clostridium pasteurianum fermente le glucose en butyrate , acétate , dioxyde de carbone et dihydrogène. La réaction conduisant à l'acétate est la suivante :

C₆H₁₂O₆ + ₄ H₂O → ₂_CH₃COO⁻ + 2 _HCO₃⁻⁺₄ H⁺ ⁺⁴ H₂

Glyoxylate

La fermentation glyoxylique est un type de fermentation utilisé par des microbes capables d'utiliser le glyoxylate comme source d'azote.

Autre

D'autres types de fermentation comprennent la fermentation acide mixte , la fermentation du butanediol , la fermentation du butyrate , la fermentation du caproate et la fermentation acétone-butanol-éthanol .

La fermentation est utilisée pour produire la protéine hème présente dans l' Impossible Burger .

La fermentation peut être utilisée pour produire des sources de protéines alternatives. Elle est couramment employée pour transformer des aliments protéinés existants, notamment d'origine végétale comme le soja, en produits plus savoureux tels que le tempeh et le tofu fermenté .

La « fermentation » plus moderne permet de produire des protéines recombinantes pour aider à fabriquer des analogues de viande , des substituts de lait , des analogues de fromage et des substituts d'œufs . Voici quelques exemples :

Myoglobine recombinante pour simili-viande (Motif Foodworks)
Léghémoglobine recombinante pour la fausse viande ( Impossible Foods )
Protéine de lactosérum recombinante pour remplacer les produits laitiers ( Perfect Day )
Protéine de caséine recombinante pour les substituts laitiers (Ces cowboys végétaliens )
Blanc d'œuf recombinant (TOUS)

Les protéines hémiques, telles que la myoglobine et l'hémoglobine, confèrent à la viande sa texture, sa saveur, sa couleur et son arôme caractéristiques. La myoglobine et la léghémoglobine peuvent être utilisées pour reproduire ces propriétés, bien qu'elles proviennent d'une cuve et non de viande.

Enzymes

La fermentation industrielle peut être utilisée pour la production d'enzymes , un procédé au cours duquel des protéines à activité catalytique sont produites et sécrétées par des micro-organismes. Le développement des procédés de fermentation, l'ingénierie des souches microbiennes et les technologies de l'ADN recombinant ont permis la commercialisation d'une large gamme d'enzymes. Ces enzymes sont utilisées dans de nombreux secteurs industriels, tels que l'agroalimentaire (élimination du lactose, arôme du fromage), les boissons (traitement des jus), la boulangerie (moelleux du pain, amélioration de la pâte), l'alimentation animale, les détergents (élimination des taches de protéines, d'amidon et de lipides), le textile, les cosmétiques et l'industrie papetière.

Modes de fonctionnement industriel

La plupart des fermentations industrielles utilisent des procédés par lots ou par lots alimentés, bien que la fermentation continue puisse être plus économique si divers défis, notamment la difficulté de maintenir la stérilité, peuvent être relevés.

Lot

Dans un procédé discontinu, tous les ingrédients sont combinés et les réactions se déroulent sans ajout de substances. La fermentation discontinue est utilisée depuis des millénaires pour la fabrication du pain et des boissons alcoolisées, et elle reste une méthode courante, notamment lorsque le processus est mal compris. Cependant, elle peut s'avérer coûteuse car le fermenteur doit être stérilisé à la vapeur sous haute pression entre chaque lot. À proprement parler, on ajoute souvent de petites quantités de produits chimiques pour contrôler le pH ou limiter la formation de mousse.

La fermentation discontinue se déroule en plusieurs phases. Il y a une phase de latence durant laquelle les cellules s'adaptent à leur environnement ; puis une phase de croissance exponentielle. Une fois la plupart des nutriments consommés, la croissance ralentit et devient non exponentielle, mais la production de métabolites secondaires (dont des antibiotiques et des enzymes d'importance commerciale) s'accélère. Ce processus se poursuit pendant une phase stationnaire après la consommation de la majeure partie des nutriments, puis les cellules meurent.

Alimentation par lots

thermophiles peuvent produire de l'acide lactique à des températures d'environ 50 °C, suffisantes pour limiter la contamination microbienne ; l'éthanol a été produit à une température de 70 °C, juste en dessous de son point d'ébullition (78 °C), ce qui facilite son extraction. Les bactéries halophiles peuvent produire des bioplastiques en milieu hypersalin. La fermentation en milieu solide consiste à ajouter une petite quantité d'eau à un substrat solide ; elle est largement utilisée dans l'industrie alimentaire pour la production d'arômes, d'enzymes et d'acides organiques.

Continu

En fermentation continue, les substrats sont ajoutés et les produits finaux extraits en continu. Il existe trois types de fermentation : les chémostats , qui maintiennent les concentrations de nutriments constantes ; les turbidostats , qui maintiennent la biomasse cellulaire constante ; et les réacteurs à flux piston, dans lesquels le milieu de culture circule de manière continue dans un tube tandis que les cellules sont recyclées de la sortie vers l’entrée. Si le procédé fonctionne correctement, le flux d’alimentation et d’effluent est constant, et les coûts liés à la mise en place répétée d’une fermentation discontinue sont évités. De plus, il permet de prolonger la phase de croissance exponentielle et d’éviter la formation de sous-produits inhibant les réactions grâce à leur élimination continue. Cependant, il est difficile de maintenir un état stationnaire et d’éviter la contamination, et la conception est souvent complexe. En général, le fermenteur doit fonctionner pendant plus de 500 heures pour être plus économique que les fermenteurs discontinus.

Histoire de l'utilisation de la fermentation

les boissons , remonte au Néolithique et a été documentée entre 7000 et 6600 av. J.-C. à Jiahu , en Chine , 5000 av. J.-C. en Inde ( l'Ayurveda mentionne de nombreux vins médicinaux), 6000 av. J.-C. en Géorgie , 3150 av. J.-C. dans l'Égypte antique , 3000 av. J.-C. à Babylone , 2000 av. J.-C. au Mexique préhispanique et 1500 av. J.-C. au Soudan . Les aliments fermentés revêtent une importance religieuse dans le judaïsme et le christianisme . Le dieu balte Rugutis était vénéré comme l'agent de la fermentation

Antoine Lavoisier , considéré comme le père de la chimie moderne, percevait la fermentation comme une simple réaction chimique et rejetait l'idée que des organismes vivants puissent y participer. Au XIXe siècle, cette conception fut qualifiée de vitalisme , et fit l'objet d'une satire dans une publication anonyme de 1839 signée par Justus von Liebig et Friedrich Wöhler .

En 1837, Charles Cagniard de la Tour , Theodor Schwann et Friedrich Traugott Kützing publièrent indépendamment des articles concluant, à la suite d'études microscopiques, que la levure est un organisme vivant qui se reproduit par bourgeonnement . Schwann fit bouillir du jus de raisin pour tuer la levure et constata qu'aucune fermentation ne se produisait tant qu'une nouvelle levure n'était pas ajoutée. Le tournant décisif survint lorsque Louis Pasteur (1822-1895), dans les années 1850 et 1860, répéta les expériences de Schwann et démontra, au cours d'une série d'études, que la fermentation est initiée par des organismes vivants. En 1857, Pasteur montra que la fermentation lactique est causée par des organismes vivants. En 1860, il démontra comment les bactéries provoquent l'acidification du lait, un processus que l'on pensait auparavant être une simple transformation chimique. Ses travaux sur l’identification du rôle des micro-organismes dans l’altération des aliments ont conduit au procédé de pasteurisation .

En 1877, œuvrant à l'amélioration de l' industrie brassicole française , Pasteur publia son célèbre article sur la fermentation, « Études sur la Bière », traduit en anglais en 1879 sous le titre « Studies on fermentation ». Il définissait la fermentation (à tort) comme « la vie sans air ».

Bien que la démonstration que la fermentation résultait de l'action de micro-organismes vivants ait constitué une avancée majeure, elle n'expliquait pas la nature fondamentale de la fermentation ; elle ne prouvait pas non plus qu'elle était causée par des micro-organismes qui semblent toujours présents. De nombreux scientifiques, dont Pasteur, avaient tenté sans succès d'extraire l'enzyme de fermentation de la levure .

Le succès est survenu en 1897 lorsque le chimiste allemand Eduard Buechner a broyé de la levure, en a extrait un jus, puis a découvert à sa grande surprise que ce liquide « mort » fermenterait une solution de sucre, formant du dioxyde de carbone et de l'alcool, tout comme les levures vivantes.

Les résultats de Buechner sont considérés comme marquant la naissance de la biochimie. Les ferments non organisés se comportaient exactement comme les ferments organisés. Dès lors, le terme « enzyme » fut appliqué à tous les ferments. On comprit alors que la fermentation était causée par des enzymes produites par des micro-organismes. En 1907, Buechner reçut le prix Nobel de chimie pour ses travaux.

Les progrès en microbiologie et en technologie de fermentation se sont poursuivis de manière constante jusqu'à nos jours. Par exemple, dans les années 1930, on a découvert que les micro-organismes pouvaient être modifiés par des traitements physiques et chimiques afin d'obtenir des rendements plus élevés, une croissance plus rapide, une meilleure tolérance à l'oxygène et la capacité d'utiliser un milieu plus concentré.

Après les années 1930

Le domaine de la fermentation est essentiel à la production d'une vaste gamme de biens de consommation, des produits alimentaires et des boissons aux produits chimiques industriels et pharmaceutiques. Depuis ses origines dans les civilisations antiques, la fermentation n'a cessé d'évoluer et de se développer, grâce à de nouvelles techniques et technologies qui ont permis d'améliorer la qualité, le rendement et l'efficacité des produits. À partir des années 1930, on a assisté à plusieurs avancées significatives dans le domaine de la fermentation, notamment la mise au point de nouveaux procédés de production de produits à haute valeur ajoutée comme les antibiotiques et les enzymes , l'importance croissante de la fermentation dans la production de produits chimiques en vrac et un intérêt grandissant pour son utilisation dans la production d' aliments fonctionnels et de nutraceutiques .l'éthanol , l'acide lactique et l'acide citrique . Ceci a conduit au développement de nouvelles techniques de fermentation et de micro-organismes génétiquement modifiés afin d'améliorer les rendements et de réduire les coûts de production. Dans les années 1990 et 2000, l'intérêt pour la fermentation dans la production d'aliments fonctionnels et de nutraceutiques, présentant des bienfaits potentiels pour la santé au-delà de la simple nutrition, s'est accru. Ceci a mené à de nouveaux procédés de fermentation, à la mise au point de probiotiques et à d'autres ingrédients fonctionnels.

économie circulaire

Des recherches récentes s'intéressent au lien entre la fermentation et la mise en place d'une économie circulaire afin de répondre à la crise climatique actuelle et à la demande croissante en ressources liée à la croissance démographique. La production de carburants, de matériaux et d'autres produits chimiques a entraîné une augmentation notable des gaz à effet de serre et, par conséquent, une hausse des températures mondiales. L'économie linéaire actuelle repose fortement sur les combustibles fossiles et les énergies non renouvelables pour produire des produits chimiques et des matériaux. Dans une économie circulaire, l'utilisation de ressources renouvelables serait privilégiée pour la production de ces produits ; de plus, ce type d'économie privilégie le réemploi des produits chimiques et des matériaux en fin de vie. L'étude des biocarburants et des biomatériaux alternatifs, la fermentation étant une méthode prometteuse, suscite un intérêt croissant.

La principale source de biomasse pour la fermentation est constituée de matières premières contenant un mélange de glucides, de protéines, d'huiles et de graisses, ainsi que de lignine. Les glucides tels que le saccharose et l'amidon (provenant notamment de la canne à sucre, du maïs et du manioc) sont les substrats les plus couramment utilisés pour la fermentation. Cependant, dans le débat sur les biocarburants, la concurrence pour l'accès aux terres entre la biomasse alimentaire et la biomasse énergétique suscite des inquiétudes. L'attention s'est donc portée sur des matières premières de seconde génération telles que le pommier d'Amérique ou les copeaux de bois.

digestion anaérobie

La digestion anaérobie est présente à toutes les étapes de la fermentation de la biomasse pour la production de biocarburants, de matériaux biosourcés et de produits biochimiques. L'un des procédés de fermentation anaérobie les plus répandus et les plus établis est la transformation des déchets organiques en biogaz . Des recherches complémentaires ont exploré la possibilité de réutiliser les résidus solides issus des procédés de fermentation et de les convertir en matériaux à base de charbon . Si cette approche s'avère concluante, elle permettrait d'accroître l'efficacité et de réduire l'impact environnemental de l' industrie de la bioproduction . Par ailleurs, la digestion anaérobie par certaines bactéries peut produire des flux gazeux homogènes de CO₂ _et de CH₄ _{, tandis que d'autres bactéries sont capables de fixer le}_CO₂ ou le CO et de les convertir en alcools ou en acides gras.

production de biocarburants

L'un des produits chimiques biosourcés les plus connus, produit par fermentation, est l'éthanol et le CO₂. Ce procédé utilise la levure Saccharomyces cerevisiae pour transformer les sucres végétaux en éthanol _. L' éthanol biosourcé est un carburant renouvelable très répandu pour les transports et présente également un intérêt dans l'industrie chimique comme précurseur de l'éthylène , qui peut être converti en polyéthylène . La production commerciale de bioéthanol par fermentation est prédominante au Brésil et aux États-Unis, et utilise la canne à sucre et l'amidon de maïs comme matières premières. Le procédé comprend l'hydrolyse enzymatique de l'amidon en glucose, suivie de la fermentation et de la distillation. En 2021, on comptait environ 200 usines d'éthanol en activité aux États-Unis, avec des capacités de production annuelles allant de 6 kilotonnes à plus d'un million de tonnes.

production biochimique

L'acide succinique est un composé biosourcé important utilisé pour la production de polymères biodégradables, notamment le polybutylène succinate (PBS), et comme matière première pour d'autres composés biosourcés tels que le 1,4-butanediol. L'acide succinique peut être produit par fermentation de sucres et de dioxyde de carbone à l'aide de souches bactériennes indigènes ; cependant, les rendements dépendent de la souche et des conditions de fermentation. Les fermentations en milieu neutre ou acide sont possibles, les fermentations à faible pH étant facilitées par des souches de levures acido-résistantes, ce qui simplifie la récupération en aval en évitant la neutralisation et la réacidification.

Tout au long des années 2010, plusieurs entreprises, telles que BioAmber , Myriant, Reverdia et Succinity, ont commandé des installations de production à l'échelle industrielle, utilisant différents organismes hôtes et matières premières comme le sirop de maïs et l'amidon de sorgho. Bien qu'ayant démontré la faisabilité technique d'une production biosourcée d'acide succinique à grande échelle, la plupart de ces installations n'ont pas réussi à concurrencer économiquement les produits pétrochimiques sur le marché. Plusieurs de ces usines ont été cédées ou fermées à de nouveaux propriétaires, illustrant les difficultés financières liées au développement des plateformes biosourcées sur les marchés actuels. Cependant, ces projets témoignent du potentiel de l'acide succinique biosourcé pour une utilisation industrielle accrue, dans des conditions de marché favorables.

Production de produits

La fermentation joue un rôle important dans la production de polymères précurseurs de produits et d'additifs alimentaires tels que les acides aminés , les acides organiques , les triglycérides et les acides gras .

Les acides aminés sont produits industriellement par fermentation à l'aide de micro-organismes tels que Corynebacterium glutamicum et Escherichia coli . Sur le marché mondial, les acides aminés sont principalement utilisés comme additifs alimentaires et pour l'alimentation animale. L'acide L-glutamique et la L-lysine sont les acides aminés les plus courants sur ce marché ; l'acide L-glutamique est principalement utilisé comme arôme alimentaire sous forme de glutamate monosodique (GMS) et la L-lysine comme complément alimentaire pour animaux. D'autres acides aminés, comme la L-thréonine et la L-phénylalanine, sont également produits à grande échelle pour diverses applications.

Les acides organiques tels que l'acide citrique, l'acide lactique et l'acide acétique sont obtenus par fermentation microbienne. L'acide citrique est largement utilisé dans l'industrie alimentaire comme conservateur et agent aromatisant. L'acide lactique est utilisé pour la conservation des aliments et comme précurseur de plastiques biodégradables. L'acide acétique est utilisé dans l'alimentation, notamment dans la fabrication du vinaigre, et comme réactif chimique dans l'industrie. Ces acides organiques sont produits par des micro-organismes comme Aspergillus niger et des espèces de Lactobacillus , dans des conditions de fermentation contrôlées.

Les acides gras et les triglycérides sont produits par fermentation sur des micro-organismes oléagineux tels que Yarrowia lipolytica et certains champignons. Ces micro-organismes peuvent accumuler des lipides dans des conditions de culture spécifiques et conviennent donc à la production de lipides à l'échelle industrielle. Les acides gras produits peuvent être utilisés dans la fabrication de savons, de détergents et comme composés de départ pour divers produits chimiques. Les triglycérides sont des composés de stockage d'énergie utilisés dans l'industrie alimentaire et le secteur des biocarburants. Les procédés de fermentation impliquent l'optimisation des conditions environnementales et de la composition en nutriments pour une accumulation maximale de lipides.