Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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PROCEDE D'OBTENTION DE BIOCATALYSEURS RENFERMANT
DES MICROORGANISMES ET BIOCATALYSEURS OBTENUS
L'invention concerne un procédé d'obtention de
biocatalyseurs dans lesquels un noyau renfermant des
microorganismes est revêtu d'un enrobage de composé
gélifiable et/ou réticulable.
On sait que des biocatalyseurs de ce type
peuvent servir à l'élaboration de boissons fermentées
telles que le vin et la bière. On a également proposé
leur utilisation pour la fabrication de yaourts et
fromages.
De nombreux travaux ont ainsi porté sur des
biocatalyseurs dans lesquels les microorganismes sont
immobilisés dans un gel, le plus géneralement dans un
alginate, avec ou sans enrobage extérieur.
Les techniques le plus généralement proposées
conduisent à des taux élevés d'eau d'inclusion qu'il
convient d'Pl~ m; ner pour assurer la conservation du
produit.
Le séchage de ces biocatal~seurs s'avère
toutefois complexe étant donné que l'eau incluse dans le
polymère nécessite des températures élevées associées à
des temps de séchage importants, ce qui altere l'activité
des microorganismes.
Des produits dits secs ont également été
rapportés, mais leur conservation ne peut être assurée de
manière satisfaisante au-delà de 4C. De plus certains
doivent subir une étape de réhydratation et de
r~acclimatation des microorganismes indispensable pour la
mise en oeuvre de ces biocatalyseurs ce qui constitue une
contrainte à leur utilisation.
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Les recherches des inventeurs dans ce domaine
les ont amenés à développer un procédé permettant
d'obtenir des biocatalyseurs ayant un taux de matières
sèches supérieur à 9O % et même à 96 %, assurant une
conservation sur une longue durée à température ambiante,
avec maintien de l'activité des microorganismes qu'ils
renferment.
L'invention a donc pour but de fournir un
procéde de préparation de biocatalyseurs à teneur élevée
en matières sèches actives, exploitable à l'~chelle
industrielle.
Elle vise également à fournir des
biocatalyseurs sous forme sèche pouvant etre conservés
sur de longues périodes à température ambiante et
utilisables sans réhydratation préalable.
Le procédé de fabrication de biocatalyseurs de
l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend
l'enrobage de particules dont la t~nellr en matières
sèches est supérieure à 30 % environ, renfermant des
microorganismes actifs, et leur séchage de manière à
obtenir un taux d'humidité résiduelle n'excédant pas
environ lO ~, avantageusement 4 %.
On notera que le terme particule tel qu'utilisé
dans la description et les revendications désigne aussi
bien des granulés, pellets, sphérules, billes, c'est-à-
dire tout agglomérat de microorganismes.
La teneur élevée en matières sèches des
particules mises en oeuvre dans l'étape d'enrobage, qui
est avantageusement supérieure à 50 %, favorise le
séchage ultérieur des particules enrobées et permet
d'atteindre aisément des teneurs de l'ordre de 90 à 96
en matières sèches, tout en maintenant un taux de survie
de pratiquement lOO ~ des microorganismes. Ce taux de
survie est contralable après libération des
microorganismes par comptage sur un milieu adapté en
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boîte de Pétri ou, pour les levures, par observation
microscopique de la décoloration du bleu de méthylène.
Ce procédé est plus spécialement caractérisé en
ce que les dites particules sont élaborées à partir de
préparations de microorganismes dont la teneur en
matières sèches est telle que ces préparations sont
extrudables.
Il s'agit en particulier de préparations
obtenues par concentration à partir de culture de ces
microorganismes, par exemple par centrifugation et/ou
filtration et/ou pressage.
Les particules utilisées dans l'étape
d'enrobage renferment avantageusement, en plus des
microorganismes, des composés capables d'augmenter la
teneur en matières sèches du noyau destiné à être enrobé.
Compte tenu des applications visées, ces
composés sont choisis plus spécialement parmi les
produits acceptables dans l'industrie agro-alimentaire et
en particulier dans les procédés de fermentation.
A titre d'exemple, on citera la bentonite, le
kaolin, la silice, la cellulose ou encore des extraits
cellulaires provenant de membranes et parois cellulaires.
D'autres additifs avantageux correspondent à
des liants ou lubrifiants.
Ces produits sont choisis de manière à
favoriser l'intégrité des microorganismes pendant
l'extrusion. Parmi les produits acceptables dans
l'industrie agro-alimentaire, on citera les
carraghénates, la gélatine et l'ovalbumine.
La mise en oeuvre dans le procédé de
l'invention de particules comportant les additifs
mentionnés ci-dessus permet de porter leur taux de
matières sèches au moins à 35 à 5~ ~ environ et de
faciliter l'extrusion.
On notera que, de manière originale, dans ces
particules, les microorganismes actifs sont en mélange à
-
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faible taux d'humidité, c~est-à-dire qu'à la différence
de nombreux modes de réalisation de l'art antérieur, ils
ne sont pas immobilisés dans un gel ou autre milieu à
teneur en eau élevée.
Selon une disposition préférée du procédé de
l'invention, utilisée le cas échéant avec au moins l'une
de celles qui précèdent, on utilise des particules telles
qu'obtenues par extrusion.
L'étape d'extrusion est réalisée de manière à
obtenir des particules ayant une taille donnant une
surface d'échange satisfaisante pour les applications
envisagées.
Des dimensions de pellets appropriées
correspondent à des diamètres de 0,5 à 3 mm.
En variante, les particules de microorganismes
avec le cas ~ch~nt les additifs mentionnés plus haut
sont obtenus par la techni~ue de rotor granulation.
Pour faciliter l'enrobage de ces particules, on
a recours de préférence à une étape de sphéronisation au
cours de laquelle il est également possible de soumettre
les particules à une phase de pré-séchage.
On utilise par exemple un sphéronisateur
comportant un plateau gaufré tournant, le séchage est
réalisé après l'étape de sphéronisation. En variante,
l'établissement d'un lit fluidisé dans le sphéronisateur
permet de réaliser en même temps le séchage des
particules.
Pour le séchage, on applique plus spécialement
des températures de 40-50C afin de conférer une
température d'environ 30C aux particules à la sortie, ce
qui permet d'éviter toute altération des cellules.
Pour l'enrobage, on a recours à un produit
gélifiable et/ou reticulable de faible viscosité, c'est-
à-dire pulvérisable par buses de manière à créer une
couche régulière autour de la particule renfermant les
microorganismes et le cas échéant les additifs mentionnés
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plus haut. Des viscosités appropriées sont inférieures à
200 x 10-3 Pa.s environ et not~mm~nt de l'ordre de 5 à 10
10-3 Pa.s.
Comme produits de ce type, on citera les
alginates, carrhagénates, pectates, agar.
L'enrobage des particules est réalisé, de
manière préférée, par pulvérisation dudit produit, selon
la technique appelée spray-coating, sur les particules
avantageusement pré-s~h~s.
Les particules sont mises en suspension dans un
courant d'air chaud alors que la solution d'enrobage est
vaporisée. Le passage à plusieurs reprises dans le cycle
d'enrobage permet de recouvrir uniformément la surface
des particules.
La température et le débit de l'air, ainsi que
le débit et la pression de pulvérisation sont choisis de
manière à former une couche homogène et à éviter la
formation d'écailles.
Si nécessaire, les produits pulvérisés sont
soumis à un durcissement ou à une réticulation afin
d'assurer l'intégrité mécanique des biocatalyseurs formés
et d'éviter le relargage des microorganismes. On procède
avantageusement selon les techniques habituelles, le plus
généralement par voie physique ou par voie chimique.
Par exemple, dans le cas d'enrobage avec un
cornposé réticulable, on plonge les sphérules de
biocatalyseur dans un bain contenant l'agent réticulant.
Ces particules enrobées sont soumises à une
étape de séchage. Cette étape est réalisée en lit
fluidisé.
Elle permet d'obtenir des biocatalyseurs dont
la teneur en matières sèches finales est supérieure à
environ 90 % et peut même dépasser 95 ~.
Dans le cas d'un enrobage avec un composé
gélifiable, les particules sont soumises à un séchage
prealable jusqu'à l'obtention d'une humidité finale de 6
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à 4 % environ. Ces particules sont ensuite enrobées dans
un courant d'air froid en lit fluidisé.
Le procédé de l'invention convient particu-
lièrement pour l'enrobage de microorganismes tels que
levures, bactéries, moisissures.
Comme levures, on citera le genre ~r~h~ro~yce~
et en particuler ~ h~ro~y~.~ c~r~.v; ~
Les bactéries utilisables pour l'élaboration
des biocatalyseurs définis ci-dessus comprennent les
genres r~rtoh~c;~ et ~trepto~n~rl~ et en particulier
T~ctoh~ r.~; et ~treptoco~~ ;~, Les
moisissures utilisables comprennent le genre A.~p~r~; 1 1 I~S
et, en particulier, ~perg;ll l~S n;ger.
La mise en oeuvre des dispositions de
l'invention permet d'obtenir des biocatalyseurs dans
les~uels les microorganismes conservent une exc~llente
viabilité au cours du temps, à température ambiante,
comme l'attestent les contrôles effectués selon les
techniques évoquées plus haut.
Ces biocatalyseurs sont utilisables directement
sans étape de réhydratation. En tant que nouveaux
produits, ils font également partie de l'invention. Ils
sont plus spécialement caractérisés en ce qu'ils
comprennent un noyau de microorganismes actifs, le cas
échéant additionnés de charges et/ou de liants comme
indiqué ci-dessus, enrobés d'une couche externe de
composé gélifiable et/ou réticulable, et que leur taux de
matières sèches est supérieur à environ 9O %.
Ces biocatalyseurs se présentent sous forme de
billes ou pellets de 0,5 à 3 mm de diamètre environ.
Afin d'illustrer l'invention, on rapporte ci-
après des exemples de préparation de biocatalyseurs
renfermant des levures recouvertes d'alginate.
~xe~ple 1 : Fabrication de biocatalyseur
renfermant ~.cerev;~e enrobée d'un agent réticulant.
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Le procédé de fabrication mis en oeuvre
comporte les étapes suivantes :
- la production et concentration des micro-organismes,
- le mélange avec le liant et les charges de la
pr~paration concentrée obtenue
- l'extrusion du mélange pour former des particules,
- la sphéronisation des particules,
- le pré-séchage,
- l'enrobage,
- la gélification et le lavage des billes,
- le séchage en lit fluidisé et le conditionnement.
1) Prép~rRt;on et concentr~t;on ~e l~ levllre
oenolo~;qt~e
On opère selon un procédé similaire à la
préparation d'une levure de panification. On réalise une
culture de levures dans un fermenteur régulé et contrôlé
par ordinateur selon le modèle feed batch avec apport
contrôlé en azote et en phosphore. Le rendement est
compris entre 30 et 40 g de matière sèche par litre, le
taux d'azote est compris entre 6,5 et 7,5 % et le taux de
phosphore de 2 à 3 ~. La levure est récupérée par
filtration (filtre rotatif sous vide VELOR modèle FIV 1).
La teneur en matières sèches est de 24 à 30 ~.
2) Pr~,p~r~t;on ~e~ p~rt;cllle~ Ol~ h;ll~
On mélange la préparation de levure obtenue
avec les produits de charges et le liant à très forte
concentration, de manière à obtenir un mélange final de
40 à 50 % de matières sèches (formule de base).
Le mélange est réalisé dans un mélangeur
malaxeur durant 20 à 30 min.
L'extrusion est ensuite réalisée à l'aide d'un
extrudeur (ALEXANDER WERK S12 M70R) par passage à travers
un cylindre couvert d'orifices de 1 mm de diamètre, la
vitesse d'extrusion est fixée à 375 tr/min.
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Les pellets obtenus sont sphéronisés sur un
plateau gaufré, par exemple par passage dans un
sphéronisateur KALEVAR modèle 15 durant 2 à 20 min ~ 800
tr/min.
3) Pr~séch~ge
Les granules obtenus sont pré-séchés sur un lit
d'air fluidisé Niro aéromatic MplR équipé d'un dispositif
de pulvérisation. 1 kg de produit granuleux est disposé
sur une plaque perforée, un courant d'air chaud traverse
ce support de bas en haut avec un débit tel que le
produit soit fluidisé.
La durée de ce pré-séchage est de 10 à 40 min.
Celui-ci est uniforme grâce à la grande surface de
contact air/produit et à l'agitation intense.
Les températures de l'air ~ l'entrée les plus
adéquates se situent entre 40 et 50C. Il est important
que les levures soient maintenues à une température aussi
basse que possible, à savoir de 25 à 33C.
Une teneur en eau résiduelle de 35 à 8 % peut
être atteinte dans les granules de micro-organismes après
un temps de séjour dans le lit fluidisé allant à 40 min.
Le taux de survie après séchage est proche de 100 %.
4) ~nroh~e
On réalise une couche externe par enrobage en
lit fluidisé des granules pré-séchés de microorga~icme~
ce qui permet d'augmenter la résistance mécanique des
granules et éviter le relargage de micro-organismes
pendant l'utilisation des granules.
L'enrobage en lit fluidisé est effectué par
pulvérisation (spray coating) sur les granules mis en
suspension dans un courant d'air chaud ascendant. Une
solution d'enrobage est alors vaporisée par une buse.
Comme solution de polymère, on utilise par
exemple un alginate de faible viscosité de 5 a 15 % de
matières sèches.
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Les particules passent plusieurs fois par
minute dans le cycle d'enrobage, ce qui permet selon
l'invention une répartition uniforme de la solution
d'enrobage à leur surface.
Les conditions d'enrobage sont les suivantes :
Température de l'air à l'entrée................. 25 à 45C
Température de l'air à la sortie................ 20 à 32C
Débit de pulvérisation....................... 8 à 15 g/min
Pression de pulvérisation................. 0,5 à 2 x 105Pa
Débit de l'air en mm d'eau.............. 70 à 200 mm d'eau
Viscosité............................ 50 - 100 x 10-3 Pa.s
Temps d'enrobage.................................. 1 à 2 h
Les particules enrobées en lit fluidisé sont
ensuite trempées dans une solution de CaCl2 à 30 g/l. La
réticulation est amorcée i mm~.~; atement et après 60
minutes de contact, les particules incluant les cellules
de micro-organismes sont rincées à l'eau courante.
5) ~r.~g~.
Les billes lavées sont égouttées, puis s~rhép~
dans un lit fluidisé type NIR0 aéromatic MPlR jusqu'à 40
à 50 % de matières sèches.
Le séchage est effectué à une température
d'entrée d'air programmable de 30 à 50C et à un débit
d'air qui correspond à une perte de charge de 150 mm
d'eau.
L'humidité finale n'excède pas 3 à 8 % après 45
min de séchage.
Ces billes sèches actives peuvent être
conservées sur de longues périodes de temps, à
température ambiante. Le contrôle de la viabilité des
microorganismes montre un maintien de leur activité à
pratiquement 100 %.
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Ces billes sont utilisables telles quelles sans
rehydratation et sans nécessité de réacclimater les
microorganismes.
~X~nU~
On rapporte dans le tableau qui suit des
formules de base de biocatalyseurs élaborés selon le
procédé de l'invention.
E~ LeYures Cva~u Car~h Slll~ Caliu~ K~olin Pa~ Sph~n aJglnate
30fiMS rnlne enane caDuI~Isatlon enrobage
1 5%MS
q ~ a g a q q mn a
7ûO 450 ~ 4~0 t26 4 800
33,'0 MS
7~ 2_0 ~o 1~ 13 750
r~ 7G0 37~ 2~a 3 0 15 8~0
400 5~0 ~ 9 g40
28%M~q
Les propriétés évoquées ci-dessus des
biocatalyseurs les rendent particulièrement appropries
pour l'éla~oration de boissons fermentées ou la
fabrication de yaourts et de fromages.
Ils sont ainsi d'une grande utilité dans le
procédé de prise de mousse selon la méthode champenoise.
Dans la méthode champenoise traditionnelle, la
prise de mousse s'effectue dans la bouteille. Les levures
qui assurent la seconde fermentation alcooli~ue sont
ajoutées au vin de base sucré au moment du tirage à la
concentration de 1-1,5 millions de cellules par
millilitre.
Ces lewres ~orment un dépôt par sédimentation.
L'opératio~ de remuage qui consiste à
rassembler ce depot dans le col de la ~outeille nécessite
un investissement important en matériel, place, temps e~
manipulation.
L'utilisation dès biocatalyseurs de l'invention
permet de simplifier ces opérations.
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11
On utilise ces derniers, conservés à
température ambiante, en sachet, sous vide ou atmosphère
contrôlée.
Un exemple d'application est donné ci-après.
~pl~ 3 :
Un gramme de biocatalyseurs préparés selon
l'exemple 1 est introduit, sans réhydratation~préalable,
dans une bouteille contenant un vin filtré sucré à 24
grammes par litre environ.
L'utilisation des billes sans réhydratation
permet leur distribution dans la bouteille par une
doseuse de type volumétrique adaptable sur la plupart des
groupes d'embouteillage.
Après le tirage, la bouteille est placée sur
lattes. La prise de mousse s'effectue dans des conditions
de température et avec des cinétiques de fermentation
équivalentes à un tirage en levure libre.
Pour le dégorgement, les billes de levures,
plus denses que le vin, sont rassemblées dans le col, en
moins d'une minute, en passant simplement la bouteille de
la position horizontale à la position verticale, col en
bas, dite "sur pointe".
D'une maniere avantageuse, la limpidité des
vins est préservée, compte tenu des caractéristiques des
billes de l'invention.
