Fiche de révision : Éléments structuraux du bioréacteur

📋 Plan du Cours

1. Définition et éléments communs
2. Équipements optionnels et régulation
3. Agitation mécanique et types de flux
4. Agitations douces et choix du système
5. Aération et stérilisation des gaz

📖 1. Définition et éléments communs

🔑 Notions clés & Définitions

• Bioréacteur : Enceinte qui assure une croissance cellulaire et une bioproduction optimales dans un environnement aux paramètres physico-chimiques contrôlés.

★ À maîtriser

• La cuve contient le milieu de culture et peut être en verre, en acier inoxydable ou à usage unique (« single use »).

• Le circuit de chauffage ou de refroidissement maintient la température du milieu constante et optimale malgré l’activité cellulaire et l’agitation.

• Le système d’agitation maintient un mélange homogène de cellules, de nutriments, de gaz et de flux thermique.

Compléments

• La bioproduction de molécules, de particules ou de cellules d’intérêt est réalisée dans un bioréacteur, anciennement appelé fermenteur ou cytoculteur, à l’échelle laboratoire, pilote ou industrielle.

• Les intrants cités comprennent :

  • un supplément nutritif
  • un antimousse
  • un inducteur

• Le système de prélèvement permet de prendre des échantillons pendant le suivi de la croissance, par le haut ou par le bas, en circuit ouvert ou fermé.

📖 2. Équipements optionnels et régulation

★ À maîtriser

• Le système d’aération apporte stérilement un mélange gazeux, tel que de l’O₂, du N₂ ou du CO₂, sous forme d’air pour les cultures aérobies ou de gaz de synthèse.

• Les contre-pales, ou déflecteurs, génèrent un écoulement turbulent qui évite l’effet vortex, c’est-à-dire la rotation de la masse liquide sans réel effet de mélange.

• Les capteurs mesurent des paramètres physiques, chimiques ou biologiques, notamment la température, le pH ou l’oxygène dissous, et peuvent intervenir dans une boucle de régulation.

• Le système de contrôle automatisé compare la valeur mesurée à la valeur de consigne et régule le fonctionnement du bioréacteur grâce à un actionneur, avec un enregistrement éventuel des données.

Compléments

• Le condenseur de gaz condense l’humidité de l’effluent gazeux et la fait retomber dans la cuve avant qu’elle n’atteigne le filtre d’échappement, grâce à un échangeur thermique refroidi par un fluide réfrigérant.

• Les actionneurs cités comprennent : une vanne, un moteur d’agitation, une pompe péristaltique, un dispositif de chauffage ou de refroidissement

💡 Astuce mémo

Le capteur mesure l’écart, le contrôle commande l’actionneur, qui le réduit.

📖 3. Agitation mécanique et types de flux

★ À maîtriser

• L’agitation mécanique rotative est le système d’agitation le plus courant ; un moteur entraîne un arbre muni d’un ou plusieurs mobiles d’agitation.

📌 Dans un mélange radial, le fluide sort du mobile vers les parois puis est renvoyé vers le centre, tandis que dans un mélange axial, il est aspiré le long de l’axe et rejeté verticalement vers le bas.

Compléments

• Le nombre de mobiles d’agitation dépend du diamètre du bioréacteur et de la hauteur du milieu.

• Les mobiles d’agitation cités sont la turbine Rushton et l’hélice marine.

• La combinaison d’un mobile radial au fond pour disperser le gaz et d’un mobile axial dans la partie supérieure pour homogénéiser le milieu et assurer le transfert thermique peut améliorer l’agitation.

• L’agitation axiale est adaptée aux milieux visqueux et entraîne moins de forces de cisaillement.

💡 Astuce mémo

Le radial pousse vers les parois ; l’axial pompe le long de l’axe.

📖 4. Agitations douces et choix du système

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellules adhérentes : Cellules animales qui ont besoin d’une surface pour croître.

★ À maîtriser

• L’agitation pneumatique aère et agite la suspension ; pour les cellules animales, l’air supplémenté en CO₂ permet de tamponner le milieu de culture.

• Le choix du système d’agitation dépend de la nature de la culture, de sa sensibilité au cisaillement, de la viscosité du milieu, de l’objectif du procédé et du volume du bioréacteur.

Compléments

📌 L’absence de mobile d’agitation dans un bioréacteur pneumatique réduit généralement les effets de cisaillement, mais le mouvement et l’éclatement des bulles peuvent tout de même endommager les cellules.

• Les systèmes d’agitation magnétique et à bascule sont employés lorsque les cellules doivent être maintenues constamment en suspension.

• Les flacons roulants (« roller bottle ») servent à la croissance de cellules animales adhérentes ou en suspension et offrent une surface cultivable supérieure à celle des contenants fixes tout en réduisant la quantité de milieu utilisée.

• Les cellules adhérentes peuvent être immobilisées sur des microporteurs de 100 à 300 μm, dont la surface, plus ou moins poreuse, est colonisée par les cellules qui s’y multiplient.

📖 5. Aération et stérilisation des gaz

★ À maîtriser

• L’air entrant est comprimé par un compresseur puis stérilisé avant d’être introduit dans le bioréacteur afin de protéger la culture de toute contamination.

• La stérilisation de l’air sortant protège l’environnement.

• La filtration sur membrane utilise des disques dont les pores ont un diamètre de 0,22 à 0,45 μm ; ces filtres sont stérilisables à la vapeur et présentent une très bonne efficacité.

Compléments

• La filtration en profondeur utilise des fibres inertes placées dans une enceinte souvent en forme de cartouche ; le filtre est stérilisable à la vapeur, mais il est encombrant, coûteux et peut adsorber du liquide.

• L’air sortant peut être stérilisé en faisant circuler de l’eau chaude ou de la vapeur dans un dispositif de type condenseur placé sur la canalisation de sortie, afin de détruire les micro-organismes.

• Un système de filtration peut être installé à la sortie du condenseur pour stériliser l’air sortant.

💡 Astuce mémo

Air comprimé entrant → stérilisation ; air sortant → protection de l’environnement.