Production d'acide lactique à partir de perméat de lactosérum par fermentation continue en réacteur à membrane

Abstract - Continuous fermentation of sweet whey permeate for lactic acid production in a membrane bioreactor
Continuous production of lactic acid from whey permeate was studied. The used equipment consisted of a fermentation unit, an ultrafiltration module and an elec-trodialysis unit. Ultrafiltration allowed total or partial biomass recycling and low molecular weight compounds separation (sodium lactate or residual lactose). Sodium lactate extraction is particularly interesting because of its inhibitory effect on fermentation, it was then continuously extracted and concentrated in the electrodialysis apparatus. The equipement was tested with a mixed culture of Lactobacillus helveticus and Streptococcus thermophilus.
At 45 °C and pH 5.5 and with a dilution rate of 0.77 h^-1, a lactate productivity of 17.3 g.L^-1.h^-1 was obtained with a cell density of 40 g.L^-1. Through the coupling of the electrodialyzer, we obtained an end product containing 130 g of lactate per liter. We also demonstrated that it is possible to stabilize biomass by means of a continuous cellular bleeding. This operation also offers possibility for production of concentrated starters. Concerning electrodialysis, we have set up a recycling loop for the residual lactose. This system was particularly efficient, when having high dilution rates and low lactose conversion rates.
The double interest of working with medium cellular density (about 20 g.L^-1) to obtain a high specific productivity (which decreases very quickly when the biomass increases) and to avoid ultrafiltration membrane fouling was described. In a technical point of view, some modifications are necessary to improve the process and in particular we actually increase ultrafiltration membrane area to obtain higher dilution rates. From an economical point of view we have outlined the importance of product quality (purity, colour, mineral content...) to define the outlets of the process.

Résumé - La production d'acide lactique en continu à partir de perméat de lactosérum est mise en oeuvre, dans un procédé continu comprenant trois opérations unitaires respectivement dans un bioréacteur, un module d'ultrafiltration et un électrodialyseur. L'ultrafiltration permet le recyclage de tout ou partie de la biomasse et la séparation des métabolites de faibles poids moléculaires dont principalement le lactate de sodium issu de la fermentation du lactose, sur laquelle il exerce une action inhibitrice. Ce produit est ensuite extrait et concentré en continu par électrodialyse. Le dispositif est testé avec une culture mixte de Lactobacillus helveticus et Streptococcus thermophilus. A 45 °C et pH 5,5 et pour un taux de dilution de 0,77 h^-1, nous obtenons une productivité de 17,3 g.L^-1.h^-1 de lactate avec une concentration cellulaire moyenne de 40 g.L^-1. Le couplage de l'électrodialyseur permet l'obtention d'une solution finale de 130 g.L^-1 de lactate. La stabilisation du niveau de biomasse n'est obtenue que lors de fermentations au cours desquelles une purge cellulaire permet le retrait continu de cellules. Cette opération offre en outre l'avantage de produire des ferments concentrés. La mise en place d'une boucle de recirculation au niveau de l'électrodialyseur permet de recycler tout ou partie du lactose résiduel lorsque des taux de dilution élevés sont mis en oeuvre. De tels taux ne permettent pas, en effet, la bioconversion totale du lactose par les bactéries utilisées.