Fiche de révision : Génie des procédés et biotechnologies

📋 Plan du Cours

1. Fondements du génie des procédés
2. Opérations unitaires industrielles
3. Schématisation des procédés
4. Bilans de matière
5. Bilans thermiques et énergétiques
6. Contrôle et régulation industrielles
7. Automatisme et pilotage industriel
8. Prévention et analyse des risques
9. Fondements des biotechnologies
10. Microorganismes et inactivation
11. Étapes de la bioproduction
12. Biotechnologies agroalimentaires innovantes

📖 1. Fondements du génie des procédés

🔑 Notions clés & Définitions

• Génie des procédés : Villermaux, 1987 - Met au point des procédés destinés à produire un service donné de façon économique et avec un impact minimal sur l’environnement.

📝 Points essentiels

• Les principaux domaines d’application sont :

  • la chimie
  • les matériaux
  • le nucléaire
  • le pétrole
  • l’énergie
  • l’environnement
  • la pharmacie
  • la santé
  • l’agroalimentaire
  • les biotechnologies

• Les échelles de production sont : l’échelle du laboratoire, exprimée en cm³, ng, mg ou g, l’échelle pilote, exprimée en dm³, g ou kg, l’échelle industrielle, exprimée en m³, kg ou tonnes

💡 Astuce mémo

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

📖 2. Opérations unitaires industrielles

🔑 Notions clés & Définitions

• Opération unitaire : Une subdivision d’un procédé industriel correspondant à une seule transformation physique, chimique ou biologique, qui peut être retrouvée dans d’autres procédés.

★ À maîtriser

• 🔄 Les trois groupes chronologiques sont :
  1. la préparation, le conditionnement et l’acheminement des réactifs
  2. la transformation des réactifs en produits
  3. le fractionnement, la purification et le conditionnement des produits

Compléments

• La filtration sépare une phase liquide et une phase solide par passage dans un milieu filtrant, tandis que la concentration ou l’évaporation élimine totalement ou partiellement un solvant d’un mélange.

💡 Astuce mémo

Préparer → transformer → fractionner et conditionner

📖 3. Schématisation des procédés

🔑 Notions clés & Définitions

• Schéma bloc : Décrit les enchaînements qui conduisent des matières premières au produit fini au moyen de blocs représentant les fonctions et de flèches indiquant les flux de matière.
• Schéma de procédé : Représente symboliquement les appareils, les lignes qui les relient, les alimentations en utilités, les boucles de contrôle et les analyseurs.

💡 Astuce mémo

Schéma bloc → schéma de procédé → instrumentation

📖 4. Bilans de matière

🔑 Notions clés & Définitions

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

★ À maîtriser

📐 Formule - Le bilan de matière obéit à la relation $Entrées = Sorties + Accumulation$.

• 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

Flux entrants et sortants → bilan massique → optimisation des ressources

📖 5. Bilans thermiques et énergétiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Bilan thermique : Aussi appelé bilan énergétique ou enthalpique, exprime l’équilibre entre les enthalpies entrant dans un système et celles qui en sortent.

★ À maîtriser

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

Compléments

📌 Un système est adiabatique lorsque ses pertes thermiques vers l’extérieur sont nulles.

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

💡 Astuce mémo

Chaleur consommée ou produite ; pertes thermiques vers l’extérieur

📖 6. Contrôle et régulation industrielles

★ À maîtriser

📌 Dans un système contrôlé, l’entrée manipulée est la commande, l’entrée non manipulée est une perturbation et les sorties sont les grandeurs à maîtriser.

• Le contrôle et la régulation reposent sur l’observation des grandeurs à maîtriser, la détection des écarts par rapport à l’objectif et l’action sur les grandeurs incidentes.

📌 Une vanne tout ou rien fonctionne uniquement dans deux états, ouvert ou fermé, tandis qu’une vanne progressive à commande pneumatique permet un réglage plus fin.

Compléments

• Les catégories de mesures industrielles comprennent : les mesures organoleptiques, les mesures nutritionnelles, les mesures technologiques, les mesures microbiologiques et toxicologiques, les mesures classiques

💡 Astuce mémo

Observer → détecter l’écart → agir sur la commande

📖 7. Automatisme et pilotage industriel

🔑 Notions clés & Définitions

• Automatisme : Un 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 du contrôle-commande comprend :
  • les capteurs et actionneurs
  • les automates
  • les bus de communication
  • la visualisation
  • l’archivage
  • la gestion de production

Compléments

• L’automatisme vise notamment à accroître la productivité, réduire les pertes de matière, maintenir la qualité, améliorer la traçabilité et réduire les risques sanitaires et toxicologiques.

💡 Astuce mémo

Capteurs-actionneurs → contrôle-commande → supervision et gestion

📖 8. Prévention et analyse des risques

★ À maîtriser

📌 Un danger est une menace de dommage, tandis qu’un risque apparaît lorsqu’un danger est simultanément présent avec une cible exposée.

• La gestion des risques consiste à identifier les dangers, analyser et évaluer les risques associés, puis déterminer les barrières de prévention et de protection.

📐 Formule - La note de criticité de la méthode AMDEC est calculée par la relation $Criticité = Fréquence \times Gravité \times Détection$.

Compléments

• Les quatre principes de prévention sont :

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

• La criticité est évaluée selon une probabilité d’apparition allant de 1 très improbable à 4 très probable et une gravité allant de 1 faible à 4 très grave.

💡 Astuce mémo

Identifier → évaluer → protéger

📖 9. Fondements des biotechnologies

🔑 Notions clés & Définitions

• Biotechnologies : Regroupent les méthodes et techniques utilisant des systèmes biologiques pour produire des produits destinés notamment à l’énergie, l’environnement, l’agroalimentaire ou la pharmacie.

★ À maîtriser

• Les couleurs des biotechnologies correspondent à :
  • rouges : santé
  • vertes : agriculture
  • bleues : ressources maritimes
  • blanches : applications industrielles
  • jaunes : protection de l’environnement

Compléments

• Les matières premières citées comprennent :
  • le maïs
  • la paille
  • le sucre
  • la betterave
  • le bois
  • les oléagineux

💡 Astuce mémo

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

📖 10. Microorganismes et inactivation

🔑 Notions clés & Définitions

• Inactivation microbienne : Empêche la croissance des microorganismes sans nécessairement les détruire, notamment par une température, un pH ou une activité de l’eau défavorable.

★ À maîtriser

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

• Une température suffisamment élevée de 65 °C ou suffisamment basse de 3 °C peut inhiber la croissance microbienne, et le passage depuis une température intermédiaire doit être effectué rapidement.

• Les traitements thermiques comprennent : les traitements à température relativement faible pendant une durée longue, les traitements à température intermédiaire pendant une durée intermédiaire, les traitements HTST à température élevée pendant une durée courte, les traitements UHT à très haute température pendant une durée très courte

Compléments

• Les conservateurs cités sont : les acides propionique, sorbique, benzoïque et para-hydroxybenzoïque, les sulfites, les nitrites

💡 Astuce mémo

Inactivation : empêcher la croissance ; destruction : éliminer les microorganismes

📖 11. Étapes de la bioproduction

🔑 Notions clés & Définitions

• Bioproduction : Utilise des microorganismes ou des cellules eucaryotes pour produire des matières actives, souvent des macromolécules difficiles à produire par chimie fine classique ou présentant un intérêt environnemental.

★ À maîtriser

• La bioproduction comprend une phase d’upstream où la molécule est produite dans un bioréacteur, une phase de downstream où elle est isolée et purifiée, puis une mise en forme stabilisée.

• La phase d’upstream comprend la Master Cell Bank, la Working Cell Bank, l’amplification cellulaire dans des récipients de quelques millilitres à une cinquantaine de litres, puis le passage en bioréacteur pendant 1 à 3 jours.

📌 En expression intracellulaire, la molécule d’intérêt est récupérée avec la biomasse après lyse cellulaire, tandis qu’en expression extracellulaire elle est récupérée dans le milieu de culture après élimination de la biomasse.

Compléments

• Les trois étapes clés de la bioproduction s’enchaînent généralement sur une durée d’environ 2 à 3 semaines.

• Les opérations de downstream comprennent :

  • la centrifugation
  • la filtration
  • la chromatographie d’affinité
  • la chromatographie hydrophobe
  • la chromatographie échangeuse d’ions
  • la filtration virale stérilisante

💡 Astuce mémo

Upstream → downstream → formulation stabilisée

📖 12. Biotechnologies agroalimentaires innovantes

🔑 Notions clés & Définitions

• Protéines d’insectes : Consiste à élever et transformer des insectes en ingrédients alimentaires destinés à l’alimentation humaine et animale.
• Fermentation de précision : La fermentation de précision utilise des microorganismes pour produire des composés ciblés comme des protéines, des vitamines, des lipides et des oligosaccharides.
• Agriculture cellulaire : Consiste à faire croître des cellules animales dans un bioréacteur stérile, clos et à température contrôlée afin de produire de la viande.
• Cuisine note à note : Utilise des composés purs extraits des aliments ou synthétisés au lieu d’ingrédients traditionnels afin de contrôler la consistance, la couleur, la saveur, l’odeur et les apports nutritifs.

📊 Tableaux de synthèse

Schémas de procédé

Inactivation et destruction microbiennes