Les types de bioprocédés pour lesquels la culture en lots nourris est efficace peuvent être résumés comme suit:

1. Inhibition du substrat

Les nutriments tels que le méthanol, l’éthanol, l’acide acétique et les composés aromatiques inhibent la croissance des micro-organismes même à des concentrations relativement faibles. En ajoutant correctement de tels substrats, le temps de latence peut être raccourci et l’inhibition de la croissance cellulaire nettement réduite.

2. Densité cellulaire élevée (concentration cellulaire élevée)

Dans une culture par lots, pour atteindre des concentrations cellulaires très élevées, p.ex. 50-100 g de cellules sèches / L, des concentrations initiales élevées des nutriments dans le milieu sont nécessaires. À des concentrations aussi élevées, les nutriments deviennent inhibiteurs, même s’ils n’ont pas un tel effet aux concentrations normales utilisées dans les cultures par lots.

3. Effet glucose (effet Crabtree)

Dans la production de levure de boulanger à partir de moût de malt ou de mélasse, il est reconnu depuis le début des années 1900 que l’éthanol est produit même en présence d’oxygène dissous suffisant (DO) si un excès de sucre est présent dans le liquide de culture. L’éthanol est l’une des principales causes du faible rendement cellulaire. La formation d’éthanol aérobie en présence de concentration de glucose est connue sous le nom d’effet glucose ou d’effet Crabtree. Pour réduire cet effet, un procédé par lots nourris est généralement utilisé pour la production de levure de boulanger. Dans les cultures aérobies d’Escherichia coli et de Bacillus subtilis, des acides organiques tels que l’acide acétique (et en moindre quantité, l’acide lactique et l’acide formique) sont produits comme sous-produits lorsque la concentration en sucre est élevée, et ces acides inhibent la croissance cellulaire et montrent un effet détériorant sur les activités métaboliques. La formation de ces acides est appelée effets bactériens de l’arbre de crabe.

4. Répression des catabolites

Lorsqu’un microorganisme est doté d’une source d’énergie carbonée rapidement métabolisable telle que le glucose, l’augmentation de la concentration intracellulaire d’ATP qui en résulte entraîne la répression de la biosynthèse des enzymes, provoquant ainsi une métabolisation plus lente de la source d’énergie. Ce phénomène est connu sous le nom de répression catabolite. De nombreuses enzymes, en particulier celles impliquées dans les voies cataboliques, sont soumises à cette régulation répressive. Une méthode puissante pour surmonter la répression des catabolites dans la biosynthèse enzymatique est une culture par lots nourris dans laquelle la concentration de glucose dans le liquide de culture est maintenue faible, où la croissance est limitée et la biosynthèse enzymatique est dérépressée. L’alimentation lente du glucose dans la fermentation de la pénicilline par Penicillium chrysogenum est un exemple classique de la catégorie.

5. Mutants auxotrophes

Dans un processus microbien utilisant un mutant auxotrophe (mutant nécessitant un apport nutritionnel), un apport excessif du nutriment requis entraîne une croissance cellulaire abondante avec peu d’accumulation du métabolite souhaité en raison de l’inhibition de la rétroaction et / ou de la répression du produit final. La privation du nutriment requis, cependant, réduit la croissance cellulaire ainsi que la production globale du métabolite souhaité, car le taux de production est généralement proportionnel à la concentration cellulaire. Dans un tel bioprocédé, l’accumulation du métabolite souhaité peut être maximisée en faisant croître le mutant sur une quantité limitée du nutriment requis. Pour cultiver le mutant à une faible concentration du nutriment requis, il est introduit dans la culture par lots à une vitesse contrôlée. Cette technique est souvent utilisée dans la production industrielle d’acides aminés avec les mutants auxotrophes. Un exemple est la production de lysine avec l’homosérine – ou la thréonine / méthionine – nécessitant un mutant de Corynebacterium glutamicum manquant pour le gène de l’homosérine déshydrogénase.

6. Le contrôle d’expression d’un gène avec un promoteur répressible

La transcription d’un gène ayant un promoteur répressible en amont du cadre de lecture ouvert est réprimée par combinaison du dit holo-répresseur avec la région opérateur sur l’ADN. Lorsqu’un composé chimique spécifié existe dans le liquide de culture, le composé (ou son métabolite) dans les cellules se combine comme co-répresseur avec un apo-répresseur (une sorte de facteur de transcription) pour former l’holo-répresseur. Maintenir la concentration de ce composé aussi faible que possible (tout en permettant une croissance cellulaire suffisante) permet une expression continue du gène régulé. La culture par lots nourris est une technique puissante pour le faire. Des exemples du promoteur répressible sont le promoteur trp et le promoteur phoA.

7. Extension du temps d’opération, supplément d’eau perdue par évaporation et diminution de la viscosité du bouillon de culture

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