Étude de l'ajout d'acétate de sodium dans une culture de clostridium acétobutylicum ATCC 824 face à la production de riboflavine et butanol en bioréacteur cuvée

Les Clostridium acétobutylicum sont des microorganismes connus par la communauté scientifique pour leur capacité de production de solvants lors d'une fermentation appelée ABE (i.e. pour acétone, butanol et éthanol). Néanmoins, bien que l'industrie pétrochimique soit la principale source pour la synthèse de carburants, plusieurs causes environnementales et économiques font que la production de biobutanol, un biocarburant produit par une fermentation menant également aux composés acétone et éthanol (fermentation appelée ABE), connaît un regain d'intérêt depuis quelques années, tant pour des raisons environnementales qu'économiques. Par ailleurs, des travaux réalisés dans le but d'améliorer la gestion du pH du milieu de culture, par ajout d'acétate de sodium, a permis d'observer la coproduction non négligeable de riboflavine en plus du biobutanol et des autres solvants; la riboflavine étant une vitamine (B2) qui n'est normalement synthétisée qu'à l'état de traces dans un milieu de culture standard en fermentation ABE. En effet, la concentration de cette vitamine produite par les Clostridium a pu atteindre 200 mg L-1 suite à un ajout de 60 mM d'acétate de sodium au milieu de culture à l'inoculation. Dans le but de connaître l'effet de l'ajout d'acétate de sodium sur la production de solvants et de riboflavine par les Clostridium acétobutylicum, différentes concentrations initiales de ce composé ont été testées sur des cultures en bioréacteur opérés en mode cuvée. Le suivi de la croissance cellulaire a également révélé que celle-ci dépendait de la quantité d'acétate de sodium ajoutée dans le milieu. Les résultats des suivis de la concentration de solvants formés ainsi que celle de la riboflavine ont également montré que la concentration de l'additif affectait considérablement les concentrations maximales en produits obtenus ainsi que le taux de consommation du substrat carboné, le xylose. Une concentration en acétate de sodium de 100 mM aurait un pouvoir tampon relativement élevé au point de faire prolonger significativement la phase acidogène des cellules, et ainsi nuire à la productivité en solvants et en riboflavine. Le suivi de la concentration des métabolites intracellulaires confirmerait cette hypothèse avec des concentrations en nucléotides particulièrement élevées en début de culture, avec consommation considérable lors de la phase solvantogène, les deux phases successives de la fermentation ABE. Les productions en solvants et en riboflavine se sont révélées sensibles à la concentration de l'ajout. Les cellules cultivées à 60 mM ont atteint les concentrations maximales en solvants et en riboflavine en fin de culture.

Abstract

Clostridium acétobutylicum are bacterial microorganisms known by the scientific community for their capacity to produce solvents during a fermentation called ABE (i.e. for acetone, butanol and ethanol). However, although the petrochemical industry is the main source of fuel synthesis, several environmental and economic causes have led to a renewed interest in the production of biobutanol by ABE fermentation in recent years. Moreover, work carried out with the aim to study and tampered culture pH variations adding sodium acetate, allowed to observe the co-production of riboflavin in addition to biobutanol and the other solvents; riboflavin being a vitamin (B2) which is normally synthesized only in trace amounts in ABE fermentation. Indeed, the concentration of this vitamin produced by the Clostridium could reach 200 mg L-1 following an addition of 60 mM of sodium acetate to the culture medium at inoculation. With the aim to better characterize the effect of adding sodium acetate on the production of solvents and riboflavin in Clostridium acétobutylicum, different initial concentrations of this added compound were tested on bioreactor cultures operated in batch mode. Cell growth, solvents and riboflavin concentrations as well as the consumption rate of the substrate xylose, the carbon source, all revealed being affected by the amount of sodium acetate added to the medium. Results also showed a concentration of 100 mM sodium acetate having a high buffering capacity the acid-forming phase, thus impairing the productivity of solvents and riboflavin in the following solventogenesis phase. Intracellular metabolites concentration confirmed this hypothesis with particularly high energetic nucleotides concentration at the beginning of the culture, without observing their increased consumption in the solventogenesis phase. The cells cultured at an initial sodium acetate of 60 mM reached the maximum concentrations of solvents and riboflavin at the end of culture.