La fermentation consiste à cultiver des microorganismes dans le but de leur faire produire une substance ou une molécule d’intérêt. La plupart de ces procédés s’effectuent dans un environnement contrôlé avec des microorganismes connus et une stratégie de fermentation prédéterminée. La stratégie de fermentation de BioMatera comporte deux phases. Pour mieux comprendre les rouages de cette fermentation, on peut diviser le procédé en trois principales composantes qui seront expliquées ci-dessous :
1- Le bioréacteur (fermenteur)
Le bioréacteur, aussi appelé fermenteur, est une cuve hermétique permettant la croissance des microorganismes. Le bioréacteur est habituellement muni d’un système d’agitation, d’un système d’aération et de sondes servant à mesurer plusieurs paramètres tels que le pH, la température, et l’oxygène dissout. Ces sondes sont souvent reliées à un système informatique d'acquisition de données grâce auquel il est possible de connaître les conditions en temps réel dans le fermenteur. Le fermenteur est aussi percé de plusieurs pores d'alimentation permettant un dosage précis de la composition du milieu de culture en cours de fermentation. Il existe des fermenteurs de différentes tailles allant de 1 à 1 000 000 de litres. Les bioréacteurs ne servent pas seulement à la production de PHA, et se retrouvent aussi dans plusieurs autres procédés industriels comme la production de levures de boulangerie, d’enzymes, d’antibiotiques, de biopesticides, d’arômes et moult autres produits.
2- Le milieu de culture
Le milieu de culture est la matrice permettant croissance bactérienne. Il s’agit d’une solution aqueuse où sont dissous tous les nutriments essentiels à la croissance des bactéries. La plupart des microorganismes cultivés ont besoin pour vivre d'éléments chimiques essentiels pouvant être incorporés dans le milieu soit par un substrat riche en protéines, sucres et vitamines soit par l’ajout des éléments essentiels en quantité précise sous forme de sels minéraux. Dans le cas de BioMatera, puisque le produit final qui doit être généré est un polymère constitué de longues chaînes de carbone, il faut fournir aux bactéries une source abondante et facilement assimilable de carbone. Les meilleurs substrats carbonés pour les bactéries de BioMatera sont les sucres simples c'est pourquoi le sucre constitue l’ingrédient majeur utilisé lors de la préparation des milieux de culture. Par ailleurs, obtenir un milieu de croissance parfaitement adapté à une souche bactérienne peut demander beaucoup de travail. Chez Biomatera, ce sont de nombreuses années de travaux d'optimisation qui ont conduit aux rendements connus à ce jour.
3- La souche bactérienne
Le procédé de fermentation de BioMatera utilise une seule espèce bactérienne élevée en culture pure. Afin d’amorcer une fermentation, il faut multiplier les bactéries à travers la chaîne de préculture. Cette étape consiste à faire croître successivement les microorganismes dans des fermenteurs de plus en plus grands, jusqu’à ce que la densité de population bactérienne soit suffisante pour coloniser efficacement le fermenteur de production.
Les deux phases de la fermentation
C’est dans le bioréacteur que s’amorcera la fermentation qui se déroulera en deux phases : une phase de croissance durant laquelle les bactéries se divisent à un rythme accéléré, puis une phase d’accumulation menant à l'accumulation maximale de PHA.. Durant la phase de croissance, les bactéries se multiplient de façon exponentielle, c'est-à-dire que le nombre de bactéries double à toutes les divisions cellulaires. Au terme de cette étape, le nombre de bactéries aura atteint plusieurs milliards de cellules par millilitre de milieu de culture. Pour initier l’accumulation du polymère dans les bactéries il faut ensuite provoquer un stress métabolique par un débalancement dans la proportion des différents nutriments. En se sentant ainsi menacées, les bactéries transforment les sources de carbone en polymère et le stockent sous forme de granules intracellulaires. En quelques heures, les bactéries peuvent accumuler jusqu’à 80 % de leurs poids en PHA, qu'il ne reste plus qu’à extraire par le procédé de purification.
