Microbiologie et fermentations

Objectif

Connaître les micro-organismes utilisés en biotechnologie, maîtriser leur culture et exploiter les fermentations.

1. Les micro-organismes

• Bactéries : procaryotes, sans noyau, 0,5 à 5 µm. Escherichia coli (Gram −) et Lactobacillus (Gram +) sont des modèles de laboratoire.
• Levures : eucaryotes unicellulaires, 5 à 10 µm ; Saccharomyces cerevisiae sert en boulangerie, en brasserie et pour produire des protéines recombinantes.
• Moisissures : Penicillium (pénicilline, fromages), Aspergillus (acide citrique).

La coloration de Gram distingue les bactéries selon leur paroi : violet = Gram +, rose = Gram −. C'est un test d'orientation clinique majeur car il conditionne le choix de l'antibiotique.

2. Croissance bactérienne

En milieu fermé, la courbe de croissance comporte quatre phases : latence (adaptation), exponentielle, stationnaire (épuisement du substrat), déclin.

En phase exponentielle, N(t) = N₀ × 2^(t/G), où G est le temps de génération. Pour E. coli à 37 °C, G ≈ 20 min : partant de 10³ cellules, on atteint 10³ × 2⁹ ≈ 5×10⁵ cellules en 3 heures. Sous forme exponentielle, N(t) = N₀·e^(μt) avec μ = ln2/G.

Facteurs de croissance : température (psychrophiles, mésophiles 20–45 °C, thermophiles), pH, disponibilité en O₂ (aérobies stricts, anaérobies, aéro-anaérobies facultatifs), activité de l'eau, sources de carbone et d'azote.

3. Techniques stériles

Travail à proximité de la flamme du bec Bunsen ou sous poste de sécurité microbiologique ; stérilisation à l'autoclave à 121 °C pendant 20 min ; ensemencement en stries sur gélose pour isoler des colonies ; dénombrement par étalement de dilutions décimales, le comptage n'étant valide qu'entre 30 et 300 UFC par boîte (UFC : unité formant colonie).

Calcul : 45 colonies pour 0,1 mL d'une dilution 10⁻⁴ ⇒ 45 × 10 × 10⁴ = 4,5×10⁶ UFC/mL.

4. Fermentations et applications industrielles

• Fermentation lactique : glucose → 2 lactates ; yaourt, choucroute, ensilage. L'acidification vers pH 4,5 coagule la caséine.
• Fermentation alcoolique : glucose → 2 éthanol + 2 CO₂ ; vin, bière, pain, bioéthanol.
• Fermentation acétique (aérobie) : éthanol → acide acétique ; vinaigre.

En bioréacteur on contrôle température, pH, agitation, oxygénation et apport de substrat (mode batch, fed-batch ou continu). Ces procédés produisent insuline, enzymes lessivielles, antibiotiques et acides aminés.

À retenir

• Gram + / Gram − : paroi différente, antibiothérapie différente.
• Courbe de croissance en 4 phases ; N = N₀·2^(t/G).
• Autoclave 121 °C / 20 min ; dénombrement entre 30 et 300 UFC.
• Fermentations lactique, alcoolique et acétique : bases de l'agroalimentaire.