Fiche de révision : Génie des procédés et biotechnologies

📋 Plan du Cours

1. Fondements du génie des procédés
2. Opérations unitaires et schématisation
3. Bilan de matière
4. Bilan thermique et énergétique
5. Contrôle et régulation
6. Automatisme industriel
7. Prévention des risques industriels
8. Familles de biotechnologies
9. Cultures et inactivation microbienne
10. Principes de la bioproduction
11. Applications biotechnologiques innovantes

📖 1. Fondements du génie des procédés

🔑 Notions clés & Définitions

• Génie des procédés : Larousse - Mise au point de procédés destinés à produire un service donné de façon économique et avec un impact minimal sur l’environnement.
• Génie des procédés : Villermaux, 1987 - Le génie des procédés applique les méthodes et concepts du génie chimique aux industries de transformation de la matière.

★ À maîtriser

• L’échelle du laboratoire utilise typiquement des volumes du cm3 et des masses du ng au g, l’échelle pilote des volumes du dm3 et des masses du g au kg, et l’échelle industrielle des volumes du m3 et des masses du kg à la tonne.

Compléments

• Les principaux domaines d’application sont :
  • chimie
  • matériaux
  • nucléaire
  • pétrole
  • énergie
  • environnement
  • pharmacie
  • santé
  • agroalimentaire
  • biotechnologie

💡 Astuce mémo

Génie chimique : usine chimique ; génie des procédés : transformation économique et environnementale

📖 2. Opérations unitaires et schématisation

🔑 Notions clés & Définitions

• Opération unitaire : Subdivision d’un procédé industriel correspondant à une seule transformation physique, chimique ou biologique, qui peut être retrouvée dans d’autres procédés.
• Schéma bloc : Décrit les enchaînements qui conduisent des matières premières au produit fini au moyen de blocs représentant les fonctions et de flèches indiquant le sens des flux.
• Schéma de procédé : Représente symboliquement les appareils du procédé, les lignes qui les relient, les alimentations en utilités, les boucles de contrôle et les analyseurs.

★ À maîtriser

• La chronologie type des opérations unitaires comprend : préparation, conditionnement et acheminement des réactifs, transformation des réactifs en produits, fractionnement, purification et conditionnement des produits

Compléments

• Le mélange met en contact des phases pour obtenir un mélange homogène et stable, le broyage réduit la granulométrie d’un solide, la filtration sépare une phase liquide et une phase solide, et l’évaporation élimine totalement ou partiellement un solvant.

💡 Astuce mémo

Préparer → transformer → fractionner et purifier

📖 3. Bilan de matière

🔑 Notions clés & Définitions

• Bilan de matière : Méthode d’analyse quantitative des flux entrants et sortants d’un système, fondée sur l’équilibre massique.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le bilan de matière vérifie la relation $\text{Entrées} = \text{Sorties} + \text{Accumulation}$.

• La réalisation d’un bilan de matière comprend la définition du système, la collecte des données, l’établissement du schéma de procédé, le choix de la base de calcul, les calculs, la vérification, l’analyse des résultats et la documentation.

Compléments

• Dans l’exemple de production de protéines recombinantes en cellules CHO, le rendement est d’environ 150 mg/L, soit environ 1,3 mg/heure.

💡 Astuce mémo

ESO : Entrées = Sorties + Accumulation

📖 4. Bilan thermique et énergétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Bilan thermique : Aussi appelé bilan énergétique ou enthalpique, exprime l’équilibre entre les enthalpies entrant dans un système et les enthalpies sortant de celui-ci.

★ À maîtriser

• Les processus thermiques principaux sont : échauffement, refroidissement ou changement d’état, consommation ou production de chaleur par réaction, pertes thermiques vers l’extérieur

Compléments

📌 Un système est adiabatique lorsque ses pertes thermiques sont nulles.

• En première approximation, les pertes thermiques sont évaluées empiriquement à 3 % de la somme des enthalpies sortantes.

• La température de référence utilisée pour calculer une variation d’enthalpie est généralement de 18 °C ou de 25 °C, avec une seule référence par constituant.

💡 Astuce mémo

Échauffement, réaction ou pertes → apport ou retrait de chaleur

📖 5. Contrôle et régulation

★ À maîtriser

📌 Une entrée manipulée est une commande sur laquelle le système peut agir, une entrée non manipulée est une perturbation, et une sortie est une grandeur à maîtriser.

• 🔄 La régulation suit trois étapes :
  1. observer les grandeurs à maîtriser
  2. détecter les écarts par rapport à l’objectif
  3. agir sur les grandeurs incidentes

📌 Une vanne tout ou rien fonctionne selon deux états, ouvert ou fermé, tandis qu’une vanne progressive à commande pneumatique permet un réglage plus fin du débit ou de la pression.

Compléments

• Pour maintenir constante la température Ts, le système mesure Ts, détecte un écart éventuel, puis ouvre ou ferme une vanne afin de modifier l’apport de chaleur Q.

• Les grandes familles de mesures sont :

  • organoleptiques
  • nutritionnelles
  • technologiques
  • microbiologiques et toxicologiques
  • classiques

💡 Astuce mémo

Observer → détecter l’écart → agir

📖 6. Automatisme industriel

🔑 Notions clés & Définitions

• Automatisme : Procédé industriel destiné à réduire la charge de travail de l’opérateur tout en améliorant la productivité et la qualité du travail réalisé.

★ À maîtriser

• La hiérarchie de contrôle-commande englobe :
  • capteurs et actionneurs
  • automates
  • bus de communication
  • visualisation
  • archivage
  • gestion de production
  • gestion des ressources de l’entreprise

Compléments

• Les enjeux de l’automatisme sont d’accroître la productivité, réduire les pertes de matière, réduire les risques sanitaires et toxicologiques, maintenir la qualité, favoriser l’innovation et la flexibilité, assurer la traçabilité et gérer la complexité des fabrications.

💡 Astuce mémo

Capteurs et actionneurs → contrôle-commande → gestion de production

📖 7. Prévention des risques industriels

★ À maîtriser

📌 Un danger est une menace de dommage pour un individu, un équipement, un bien ou l’environnement, tandis qu’un risque apparaît lorsqu’un danger et une cible sont présents simultanément.

• 🔄 La méthodologie de gestion des risques comprend : identifier les dangers, analyser et évaluer les risques associés, déterminer les barrières de prévention et de protection

• Les quatre principes sont :

  • bien concevoir
  • bien construire
  • bien maintenir
  • bien exploiter

Compléments

📐 Formule - La note de criticité de l’AMDEC est calculée par la relation $\text{Criticité} = \text{Fréquence} \times \text{Gravité} \times \text{Détection}$.

• La matrice de criticité évalue la probabilité d’apparition selon quatre niveaux, de très improbable à très probable, et la gravité selon quatre niveaux, de faible à très grave.

💡 Astuce mémo

Identifier → analyser → protéger

📖 8. Familles de biotechnologies

🔑 Notions clés & Définitions

• Biotechnologies : Ensemble des méthodes et techniques utilisant des systèmes biologiques dans des procédés de production appliqués notamment à l’énergie, l’environnement, l’agroalimentaire et la pharmacie.

★ À maîtriser

• Les couleurs des biotechnologies correspondent à :
  • rouge : santé
  • verte : agriculture
  • bleue : ressources maritimes
  • blanche : applications industrielles
  • jaune : protection de l’environnement et traitement des pollutions

Compléments

• Les applications rouges comprennent notamment :

  • les vaccins
  • les antibiotiques
  • les médicaments
  • le diagnostic moléculaire
  • les thérapies régénératives

• Les biotechnologies blanches transforment des matières premières comme le maïs, la paille, le sucre, la betterave, le bois et les oléagineux en produits tels que des enzymes, des polymères, des bioplastiques et du bioéthanol.

💡 Astuce mémo

Rouge, verte, bleue, blanche, jaune : santé, agriculture, mer, industrie, environnement

📖 9. Cultures et inactivation microbienne

★ À maîtriser

• Les organismes utilisés en biotechnologies peuvent être acellulaires comme les virus, procaryotes comme les bactéries et cyanobactéries, ou eucaryotes comme les champignons, microalgues, protozoaires et cultures cellulaires animales ou végétales.

📌 L’inactivation de la croissance microbienne peut être obtenue par des températures, un pH ou une activité de l’eau défavorables, ou par l’ajout de conservateurs soumis à une réglementation stricte.

• Une température suffisamment élevée, environ 65 °C, ou suffisamment basse, environ 3 °C, peut inhiber la croissance microbienne, et la transition depuis 25 à 30 °C doit être rapide.

• La destruction des micro-organismes utilise principalement la chaleur, les radiations et les désinfectants, avec des traitements thermiques allant de températures faibles pendant une longue durée aux traitements UHT à très haute température pendant un temps très court.

Compléments

• Les conservateurs cités sont :
  • acide propionique
  • acide sorbique
  • acide benzoïque
  • acide para-hydroxybenzoïque
  • sulfites
  • nitrites

💡 Astuce mémo

Inactiver freine la croissance ; détruire élimine les micro-organismes

📖 10. Principes de la bioproduction

★ À maîtriser

• La bioproduction comprend une phase d’upstream produisant la molécule dans un bioréacteur, une phase de downstream isolant et purifiant la biomolécule, puis une mise en forme stabilisée, l’ensemble s’enchaînant en environ 2 à 3 semaines.

• La phase d’upstream comprend :

  • Master Cell Bank
  • Working Cell Bank
  • amplification cellulaire
  • passage en bioréacteur

📌 En expression intracellulaire, la molécule d’intérêt reste dans les cellules et nécessite une récupération de la biomasse puis une lyse cellulaire, tandis qu’en expression extracellulaire elle est sécrétée dans le milieu et nécessite une récupération du milieu et une élimination de la biomasse.

• Les opérations de downstream comprennent :
  • centrifugation
  • filtration
  • chromatographie d’affinité
  • chromatographie hydrophobe
  • chromatographie échangeuse d’ions
  • filtration virale stérilisante

Compléments

• Les bioréacteurs peuvent être à usage unique sous forme de poches plastiques pour des volumes inférieurs à 2000 litres, tandis qu’au-delà de 2000 litres ils sont en acier inoxydable.

• La chromatographie d’affinité atteint environ 90 % de purification, l’étape de polissage environ 99 %, et l’élimination des impuretés à l’état de traces peut atteindre environ 100 % de purification.

• 🔄 La mise en forme stabilisée comprend :

  1. formuler la molécule
  2. ajouter des sels et adjuvants
  3. lyophiliser éventuellement
  4. conditionner
  5. stocker
  6. contrôler
  7. vendre

💡 Astuce mémo

Upstream → downstream → mise en forme stabilisée

📖 11. Applications biotechnologiques innovantes

★ À maîtriser

• La fermentation de précision utilise des micro-organismes pour produire des produits ciblés comme des protéines, des vitamines, des lipides et des oligosaccharides, notamment des protéines de lait et d’œuf ou du miel.

• L’agriculture cellulaire consiste à faire croître des cellules animales dans un bioréacteur stérile, clos et à température contrôlée afin de produire de la viande.

Compléments

• La cuisine note à note utilise des composés purs extraits des aliments ou synthétisés afin de combiner la consistance, la couleur, la saveur, l’odeur et les apports nutritifs souhaités.

• La fabrication de protéines d’insectes consiste à élever et transformer des insectes pour produire des ingrédients destinés à l’alimentation humaine et animale.

📊 Tableaux de synthèse

Couleurs des biotechnologies