En raison de la fragilité de certains micro-organismes, une vitesse de rotation élevée peut entraîner la rupture des micro-organismes:
Rupture cellulaire : Une forte force de cisaillement peut directement entraîner la rupture de la paroi cellulaire des micro-organismes, libérant les substances intracellulaires. Cela n'affecte pas seulement la viabilité des micro-organismes, mais peut également avoir des effets négatifs sur le processus de fermentation ou de traitement ultérieur.
Fuite des produits métaboliques : Après la rupture cellulaire, les produits métaboliques intracellulaires fuiront dans l'environnement. Ces produits métaboliques peuvent avoir une activité biologique ou de la toxicité, présentant des menaces potentielles pour l'environnement et la santé humaine.
Baisse de l'efficacité de fermentation : Si un grand nombre de cellules microbiennes se rompent pendant le processus de fermentation, cela entraînera une baisse de la concentration cellulaire dans le milieu de fermentation, affectant ainsi l'efficacité de fermentation et le rendement du produit.
Pour les micro-organismes aérobies, le mécanisme de l'intoxication par l'oxygène concerne principalement la production excessive et les dommages des radicaux oxygènes ainsi que l'instabilité du système de défense antioxydant. Sous une concentration élevée d'oxygène ou une pression élevée, les micro-organismes aérobies peuvent être exposés au risque de stress oxydatif, entraînant la destruction de la structure et de la fonction cellulaire ainsi que la mort cellulaire. Par conséquent, lors de la culture et de l'utilisation des micro-organismes aérobies, il est nécessaire de contrôler les conditions de concentration et de pression d'oxygène adéquates pour assurer leur croissance et leur activité métabolique normales. Par conséquent, il est nécessaire de procéder à une fermentation à vitesse régulée en limitant le ratio d'aération.
Dans un état d'aération élevée, si la concentration d'oxygène dans l'environnement où se trouvent les micro-organismes est trop élevée, cela peut les endommager, voire les tuer. Ce mécanisme de dommage peut être lié à la production et à l'attaque des radicaux oxygènes.
Contrôle du débit d'aération : Pendant le processus de fermentation, il est important de contrôler rationnellement le débit d'aération en fonction des besoins et de la tolérance des micro-organismes, afin d'éviter des concentrations d'oxygène trop élevées ou trop basses.
Surveillance de la concentration d'oxygène : Vérifier régulièrement la concentration d'oxygène dans le milieu de fermentation pour s'assurer qu'elle est dans la plage appropriée.
Optimisation des conditions de fermentation : En plus du débit d'aération, il est également important de tenir compte d'autres conditions de fermentation telles que la température, le pH, la concentration de substrat, etc., pour créer un environnement le plus propice à la croissance des micro-organismes et à la synthèse du produit.
Entretien des équipements : S'assurer que l'équipement de fermentation est en bon état pour éviter des défaillances d'équipement entraînant des anomalies du débit d'aération.
Une concentration élevée de substrat peut inhiber le métabolisme des micro-organismes, principalement pour les raisons suivantes:
3.1. L'augmentation de la concentration de substrat entraînera une augmentation de l'opacité osmotique de la solution, affectant ainsi la croissance et la reproduction des micro-organismes. Une concentration élevée de substrat peut inhiber la croissance et la reproduction des micro-organismes, car une opacité osmotique trop élevée peut endommager la membrane cellulaire, entraînant une perte d'eau ou une absorption excessive d'eau par la cellule, affectant ainsi la fonction normale de la cellule.
3.2. Une concentration élevée de substrat peut entraîner la saturation des voies métaboliques. Lorsque la concentration de substrat atteint un certain niveau, l'enzyme correspondante peut atteindre un état de saturation, de sorte que lorsque la concentration de substrat augmente davantage, la vitesse de réaction ne croît plus.
3.3. Une concentration élevée de substrat peut également induire un phénomène d'« overflow métabolique ». Lorsque la concentration de substrat est trop élevée, les micro-organismes peuvent activer des voies métaboliques inutiles, entraînant un gaspillage d'énergie et la production de sous-produits, ce qui affectera également l'obtention du produit cible.
Dans l'étude du métabolisme microbien, le contrôle de la concentration de substrat est crucial pour réguler les voies métaboliques, améliorer le rendement et l'efficacité du produit cible.
Une concentration élevée de produit peut considérablement inhiber la croissance et le métabolisme des micro-organismes, ralentir la vitesse de fermentation et même entraîner l'échec de la fermentation. Une concentration élevée de produit peut directement empoisonner les cellules, affecter l'activité enzymatique et les voies métaboliques, tout en augmentant l'opacité osmotique du milieu de fermentation et en détruisant l'équilibre cellulaire. Par conséquent, il est essentiel de contrôler la vitesse de fermentation. En ajustant les conditions de culture, en ajoutant des inhibiteurs et d'autres moyens, on peut maintenir une vitesse de production de produit appropriée et éviter une accumulation excessive. En même temps, en augmentant la vitesse de séparation du produit et en mettant en œuvre un procédé couplé de fermentation et de séparation en continu, on peut efficacement réduire la concentration de produit, atténuer l'effet d'inhibition, garantir le bon déroulement du processus de fermentation et améliorer le rendement et la qualité du produit. La solution privilégiée est le procédé de fermentation couplée ou la culture en perfusion.
Le procédé de fermentation couplée, c'est-à-dire la technologie de séparation pendant la fermentation, est un procédé avancé qui combine étroitement le processus de fermentation et le processus de séparation du produit. En utilisant des techniques de séparation appropriées pendant le processus de fermentation, telles que la séparation par membrane, l'extraction, etc., il permet de séparer en temps réel le produit du milieu de fermentation, réduisant ainsi efficacement la concentration de produit, supprimant l'inhibition des micro-organismes et améliorant l'efficacité de fermentation et le rendement du produit. Ce procédé non seulement optimise le processus de fermentation, mais améliore également la pureté et le taux de récupération du produit, et est une direction importante de développement de l'industrie de fermentation biologique moderne.
Baisse de la stabilité de l'ARNm : Dans des conditions de croissance rapide, la stabilité de l'ARNm intracellulaire peut être affectée, entraînant une augmentation de la vitesse de dégradation de l'ARNm lié à la synthèse des protéines. Cela réduira le nombre d'ARNm disponible pour la traduction, affectant ainsi la synthèse des protéines.
Altération de la fonction des ribosomes : Bien que les ribosomes eux-mêmes ne soient pas directement réduits en raison d'une croissance trop rapide, des problèmes tels que l'augmentation de la pression métabolique et l'inégalité de la répartition des ressources causés par une croissance rapide peuvent affecter indirectement la fonction des ribosomes. Par exemple, les ribosomes peuvent ne pas obtenir suffisamment d'énergie ou d'acides aminés pour supporter une synthèse des protéines efficace.
Anomalies de repliement et de modification des protéines : En raison de l'absence de corps de Golgi et du réticulum endoplasmique, les cellules en croissance rapide peuvent ne pas fournir un environnement suffisant de repliement et de modification pour les protéines neuves. Cela peut entraîner l'incapacité des protéines à se replier correctement en une conformation ayant une activité biologique, ou à obtenir les modifications telles que la glycosylation, la phosphorylation, etc., nécessaires, affectant ainsi leur fonction et leur stabilité.
En raison des raisons susmentionnées, pour les micro-organismes procaryotes, il est utile de contrôler la vitesse de croissance des micro-organismes en ajustant la composition du milieu de culture, la stratégie d'ajout de nutriments, la température, etc., afin de maintenir l'équilibre métabolique intracellulaire et la stabilité de la régulation de l'expression génétique, et ainsi d'améliorer l'efficacité et la qualité de la synthèse des protéines.
Dans le procédé microbien, la fermentation à vitesse régulée est essentielle pour assurer l'équilibre de chaque étape. En régulant finement la vitesse de fermentation, on peut optimiser la répartition du temps, de la biomasse, des nutriments et de l'énergie. Grâce à la conception d'un procédé par étapes, en tenant compte globalement du cycle de croissance des micro-organismes, on peut maintenir des conditions de croissance appropriées et éviter le gaspillage de ressources ou l'inhibition par le produit causés par une croissance trop rapide ou trop lente. La fermentation à vitesse régulée a pour but d'obtenir une utilisation maximale des ressources, d'améliorer la qualité et le rendement du produit, et est une stratégie importante de l'industrie de fermentation biologique moderne.