Nom : High content FOS production/purification

Type : Research project (PDR, 4 years)

Date d'acceptation: 14/12/2012

New strategies for the biotechnological production and purification of high-content fructooligosaccharidesNouvelles tratégies pour la production biotechnologique and la purification de fructo-oligosaccharidesAn increased commercial interest in fructo-oligosaccharides (FOS) has emerged in the last decade due to their prebiotic activity. Industrially, they are enzymatically produced in batch fermentation processes using sucrose as substrate. This process is characterized by low purity and conversion yields. The large amount of glucose released during the FOS synthesis inhibits the transfructosylating reactions stopping the reaction.

Simulated Moving Bed (SMB) chromatography has shown to be an efficient downstream process for sugar separation at an industrial scale. However, from the studies conducted in our SMB pilot plant, and in accordance with reported studies conducted in a single column, the presence of glucose disables the achievement of FOS with purities greater than 80%.

Other challenge is the large amount of salt contains in the broth since resins used are ion-exchanging ones. For all these reasons, an optimization of the fermentation process envisaging the downstream SMB separation as an integrated process is fundamental. To increase yield/content of FOS it is proposed the use of a co-culture of two microorganisms able to simultaneously synthesize FOS and consume glucose, working with suspense/immobilized cells in non-conventional carriers.

To decrease the amount of salts in the final mixture, an optimization of the fermentative broth composition is proposed. Starting from simulations followed by a validation with experimental data, a mathematical model will be identified. The optimal operating conditions, initial fermentative broth and feed substract compositions, at lab and large scale, will be determined. In order to calculate the feed rate profile, a closed-loop control strategy will be designed. Finally, FOS obtained will be purified using an SMB pilot plant working with ion-exchange resins.

The models developed for the fermentation and the SMB processes will allow one to build a simulator for the complete production process.Un intérêt commercial accru pour les fructo-oligosaccharides (FOS) a émergé ces dernières années vu leur activité prébiotique. Industriellement, ils sont enzymatiquement produits dans des procédés de fermentation discontinus à base de saccharose. Ces procédés sont caractérisés par de faibles puretés et rendements de conversion. La grande quantité de glucose libérée lors de la synthèse des FOS inhibe certaines des réactions.

La chromatographie par lit mobile simulé (SMB) s'est montrée efficace pour la séparation de sucres à l'échelle industrielle. Mais, comme constaté lors d'études menées sur notre installation SMB, la présence de glucose limite la production de FOS à des puretés de 80%. Un autre problème est la grande quantité de sels contenus dans le milieu à cause des résines échangeuses d'ions utilisées.

Pour toutes ces raisons, une optimisation du processus de fermentation envisageant la séparation par SMB en aval, comme un processus intégré, est fondamentale. Pour augmenter la production de FOS, il est proposé de procéder à une co-culture de deux micro-organismes capables de synthétiser les FOS tout en consommant le glucose ; les cellules étant en suspension ou immobilisées sur des supports non-conventionnels. Pour diminuer la quantité de sels dans le mélange, une optimisation de la composition du milieu de fermentation est proposée.

A partir de simulations, suivies de validations à partir des données expérimentales, un modèle mathématique sera identifié. Les conditions de fonctionnement optimal, le milieu de fermentation initial et la composition du milieu d'alimentation seront déterminées. Afin de calculer le taux d'alimentation, une stratégie de contrôle en boucle fermée sera conçue. Enfin, les FOS obtenus seront purifiés en utilisant une installation pilote SMB fonctionnant avec des résines échangeuses d'ions.

Les modèles développés pour la fermentation et le procédé SMB permettront de construire un simulateur pour le processus complet de production.