Fermenteurs à air comprimé pour la fermentation de mycélium liquide de champignons

Fermenteurs à air comprimé pour la fermentation de mycélium liquide de champignons

Les fermenteurs à circulation d'air (également appelés réacteurs à circulation d'air) sont largement utilisés et bien établis dans la production de mycélium liquide pour les champignons comestibles. Ils conviennent particulièrement aux souches à mycélium fragile, sensibles aux forces de cisaillement, et constituent actuellement le type de cuve de fermentation le plus répandu dans l'industrie.

Le principe du transfert de masse gaz-liquide dans ces fermenteurs repose sur l'utilisation de l'énergie cinétique du gaz pour entraîner la circulation du liquide, permettant ainsi un transfert efficace de la phase gazeuse (par exemple, l'oxygène) vers la phase liquide (par exemple, le bouillon de fermentation). Les fermenteurs à circulation d'air sont dépourvus d'agitateurs mécaniques ; le transfert de masse et le mélange sont entièrement assurés par l'aération. Contrairement aux cuves à agitation mécanique, ils ne comportent aucune pièce mobile, ce qui présente des avantages considérables tels qu'une construction simple, une faible consommation d'énergie et une réduction des dommages causés par le cisaillement aux cellules biologiques.

Le processus de transfert de masse est centré sur le mécanisme de « levage de gaz – mélange en circulation – transfert de masse interfacial ».

I. Principe de fonctionnement : Circulation « Airlift » par différence de densité
En termes simples, la circulation par « airlift », provoquée par la différence de densité, est à l'origine de l'agitation et du renouvellement du liquide :

1. Injection et fragmentation du gaz :
De l'air comprimé est injecté à grande vitesse dans le liquide par des buses ou des distributeurs de gaz situés au fond du réservoir (généralement dans la colonne montante). Le flux d'air à grande vitesse fragmente le gaz en une multitude de minuscules bulles, augmentant considérablement la surface de contact gaz-liquide.

2. Circulation par « pont aérien » :
La présence d'un grand volume de bulles rend la densité moyenne du fluide dans la section ascendante nettement inférieure à celle de la section descendante (certains fermenteurs sont équipés d'un tube de tirage pour compenser ce phénomène). Le gradient de pression résultant de cette différence de densité, combiné à l'énergie cinétique ascendante du gaz, induit un flux directionnel et circulant au sein du réacteur.

3. Contact et réaction :
Lorsque des bulles remontent et que le liquide circule, l'oxygène de la phase gazeuse traverse continuellement l'interface gaz-liquide et se dissout dans la phase liquide, fournissant aux micro-organismes les nutriments nécessaires à leur croissance ou facilitant les réactions chimiques.

4. Évacuation des gaz et retour du liquide :
Une fois arrivé en haut du réservoir, le mélange gaz-liquide se sépare ; le gaz (comme le CO₂ produit par la respiration microbienne) s'échappe de la surface du liquide. À mesure que la densité du liquide dégazé augmente, il s'écoule vers le bas, hors du tube d'aspiration, et retourne au fond du réservoir pour réintégrer le circuit de circulation.

II. Structure de base (Type de circulation interne – Standard pour les champignons)

1. Corps du réservoir
Matériau : acier inoxydable 316 ou 304 ; Type : Réservoir à double enveloppe ou réservoir à serpentin.
Coefficient de volume utile : 80 % à 90 % ; si le rapport hauteur/diamètre est trop faible, la circulation est faible ; s’il est trop élevé, la résistance à la circulation augmente.

2. Tube à tirage
(Tube à flux ascendant) Actuellement utilisé dans les petits réservoirs de laboratoire ; rarement rencontré dans les grands réservoirs. Il s'agit d'un cylindre coaxial placé à l'intérieur du réservoir ; diamètre du tube d'aspiration / diamètre du réservoir = 0,6–0,8. L'intérieur du tube constitue la zone de flux ascendant, tandis que l'espace annulaire entre le tube et la paroi du réservoir constitue la zone de flux descendant.

3. Distributeur de gaz / Pistolet
Situé au fond du tube d'aspiration, il pulvérise l'air en microbulles, déterminant ainsi leur taille et le coefficient de transfert de masse (k_La). Les distributeurs peuvent avoir différentes formes : disque, croix, etc.

4. Zone supérieure de séparation gaz-liquide
Les bulles éclatent pour libérer les gaz d'échappement, tandis que le liquide change de direction pour s'écouler vers le bas à travers l'espace annulaire.

5. Équipements auxiliaires (inspection, contrôle de la température, tuyauterie de procédé, etc.)
Échange de chaleur par serpentin ou enveloppe ; sondes pH/OD/température ; ports CIP (Nettoyage en place) ; ports d'échantillonnage, de décharge et d'alimentation.

III. Avantages des fermenteurs à air comprimé

1. Structure simple et faible coût :
Les fermenteurs à airlift sont dépourvus de mécanismes d'agitation mécanique complexes, ce qui entraîne des coûts de fabrication plus faibles et une exploitation et un entretien plus simples.

2. Transfert de masse efficace et consommation d'énergie réduite :
Le système de circulation unique « Airlift » permet un transfert d'oxygène efficace. Parallèlement, la consommation d'énergie est environ 75 % inférieure à celle des fermenteurs à agitation mécanique traditionnels, ce qui représente un avantage économique considérable pour la production à grande échelle.

3. Faible force de cisaillement ; protège le mycélium :
C’est un avantage clé des fermenteurs à circulation d’air dans l’industrie des champignons comestibles. Fonctionnant grâce à un flux d’air pour l’agitation, ils minimisent les dommages mécaniques causés au mycélium par cisaillement, ce qui les rend idéaux pour la culture de variétés de champignons comestibles à mycélium fragile et sensible aux forces de cisaillement.

4. Facteur de charge élevé :
Les fermenteurs à air comprimé peuvent atteindre un facteur de charge supérieur à 80 %, ce qui permet une utilisation optimale des équipements.

5. Faible risque de contamination :
La simplification des systèmes de refroidissement et de filtration de l'air réduit efficacement le risque de contamination par des micro-organismes indésirables, assurant ainsi la qualité de la culture.

IV. Coefficients de rétention de gaz et de transfert de masse dans les fermenteurs à airlift

1. Rétention de gaz (ε) :
Cela fait référence au rapport entre le volume de la phase gazeuse et le volume total du réacteur. Une rétention de gaz plus importante implique un plus grand nombre de bulles par unité de volume et une surface de contact gaz-liquide plus grande, ce qui est essentiel à un transfert de masse efficace.

2. Coefficient de transfert de masse volumétrique (kLa) :
Il s'agit du paramètre le plus direct et le plus important pour mesurer le taux de transfert de masse. Il intègre les effets de la force motrice du transfert de masse et de la surface de contact ; une valeur de kLa plus élevée indique une plus grande quantité de gaz transférée par unité de volume et par unité de temps.

Analyse des voies de transfert de masse :
Air → distribution de gaz pour former des bulles → mouvement ascendant des bulles ; l'oxygène se dissout de l'interface gaz-liquide dans la phase liquide ; la circulation distribue l'oxygène dissous dans tout le réservoir ; le CO₂ s'échappe en sens inverse de la phase liquide vers les bulles pour être évacué.

Le coefficient de transfert d'oxygène volumétrique (kLa) est l'indicateur le plus critique pour les fermenteurs à airlift et est régi par quatre variables : le taux d'aération, le diamètre des bulles, la rétention de gaz et le taux de circulation du liquide.

V. Déroulement pratique du processus

Culture de première étape : Inoculer la culture en flacon agité dans le réacteur de première étape pour la culture. Cette étape convient aux souches à croissance lente ou comme étape de pré-culture pour les très grandes cuves de production.

Culture à plus grande échelle de deuxième étape : Inoculer une quantité spécifique de la culture de première étape dans le réacteur de deuxième étape ; la culture continue permet d’obtenir une grande quantité d’inoculum pour la production.

En production, pour la plupart des variétés, la culture en flacon agité est inoculée directement dans la cuve de production.

En résumé, grâce à leurs avantages considérables (haute efficacité, faible consommation d'énergie et faible force de cisaillement), les fermenteurs à airlift sont devenus une technologie clé pour la production de mycélium liquide de champignons comestibles. Ils permettent non seulement de résoudre le problème de faible efficacité associé aux procédés traditionnels de production de mycélium solide, mais aussi d'offrir une solution technique fiable pour une production à grande échelle et à faible coût de champignons comestibles.