FR2688007A1 - Bioreacteur a ecoulement piston destine a la culture de cellules et des microorganismes. - Google Patents

Bioreacteur a ecoulement piston destine a la culture de cellules et des microorganismes. Download PDF

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Tisseyre Bruno
Coquille Jean-Claude
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BOURGOGNE UNIVERSITE
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Abstract

L'invention concerne un bioréacteur à écoulement piston de forme hélicoïdale composé de N spires (1) permettant de réaliser N cultures indépendantes en séparant parfaitement les cultures par des poches gazeuses. La rotation mécanique (7) des spires de ce fermenteur permet le déplacement spatial des différentes cultures en assurant leurs séparations physiques. Le remplissage du réacteur s'effectue par la première spire (2) qui est inoculée séquentiellement d'un substrat nutritif et d'un inoculum de cellules ou de microorganismes. L'agitation est réalisée par la circulation d'un gaz (air, O2 , N2 ou mélange) envoyé à contre courant de la rotation mécanique du réacteur. L'invention peut être utilisée afin de réaliser une production en continu de métabolites par des cultures de microorganismes sans phénomène de dilution. Par ailleurs, elle permet d'avoir simultanément mais dans des cultures indépendantes, des populations dont l'état physiologique est différent. Par ailleurs, il est possible dans un tel réacteur de modifier les paramètres physiques de la culture (température, pH, activité de l'eau,...) en fonction de son état physiologique.

Description

DESCRIPTIF TECHNIOUE
La présente invention conceme les procédés permettant de réaliser des cultures de cellules ou de microorganismes en continu.
Actuellement, la quasi totalité des fermenteurs ou bioréacteurs de laboratoires et industriels est constituée de réacteurs parfaitement agités dans lesquels les cultures sont réalisées soit en batch, soit en semi-batch, soit en continu. De ce fait, dans le cas d'une culture destinée à produire des métabolites secondaires ou primaires (antibiotiques, arômes, acides organiques, colorants, alcools.. ou tout autre molécule d'origine biologique), il est impossible d'envisager une production continue sans phénomène de dilution sauf à utiliser un grand nombre de réacteurs parfaitement agités en série, mais dont le coût serait alors prohibitif.
L'utilisation d'un réacteur à écoulement piston dans lequel, schématiquement le contenu du fermenteur se déplace dans un tube à vitesse constante permet de supprimer cet inconvénient. A ltheure actuelle, il n'existe pas de réacteurs de ce type sur le marché et les seuls exemples industriels concement des procédés microbiologiques permettant ltépuration des eaux usées, pour lesquels ltécoulement piston ne concerne que le substrat nutritif à travers des microorganismes fixés.
Parallèlement à l'augmentation du rendement d'une production industrielle de métabolites, un tel réacteur présente d'autres particularités.
Il permet d'avoir simultanément, mais dans des cultures indépendantes des populations d'état physiologique différent, ce qui est extrêmement intéressant au niveau d'études de laboratoires.
n permet de modifier les paramètres physiques de la culture et notamment la température et la pression osmotique en fonction de son étatphysiologique.
Les valeurs optimales de ces paramètres sont en effet différentes pour les phases de croissance et de biosynthèse cellulaire.
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, référencée aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente schématiquementle principe du bioréacteur; - la figure 2 représente le mécanisme d'agitation induit par la circulation d'un gaz dans une spire; - la figure 3 représente le réacteur prototype avec un mécanisme de rotation entraîné par un moteur (7),
une arrivée d'air par un joint tournant (9), et un dispositif d'injection utilisant un pousse-seringue
manuel (4).
Le bioréacteur se compose d'une succession de réacteurs individuels (1) constitués par chacune des spires du réacteur hélicoidal, d'un support (6) permettant de maintenir et de faire toumer par l'intemmédiaire d'un moteur (7), de plusieurs systèmes d'injection (4;9) permettant d'alimenter en gaz et en liquide la partie mobile.
La rotation du réacteur (1) peut être séquentielle ou continue.
En se reportant à la figure 1, on peut comprendre le fonctionnement du réacteur. Soit un tube enroulé en spirale (1). La solution contenant le substrat nutritif et les microorganismes est injectée à l'une des extrémités du tube. Cette injection peut être faite soit par l'intermédiaire d'un distributeur de liquide relié à un ou plusieurs joints toumants (9), soit manuellement (4). Le liquide tombe alors par gravité au fond de ce qui est défini comme la première spire (2) à condition que le volume injecté soit inférieur au volume de la spire
Lorsqu'on fait alors toumer d'un tour autour de l'axe de rotation (3), le tube enroulé (1), on conçoit facilement que le liquide injecté passe d'une spire à la suivante, et qu'une nouvelle injection peut alors avoir lieu dans la première spire (2).
Deux volumes de liquides successifs sont séparés par une poche d'air ou de gaz qui occupe la partie supérieure de la spire. Si l'on considère chaque spire comme une configuration réactionnelle simple et indépendante, le tube enroulé N fois peut etre considéré comme l'équivalent de N réacteurs fermés uniformes indépendants et en série. De plus, si l'on considère que la vitesse de rotation du réacteur (1) est la même pour chaque tour, les temps de séjours des différents volumes injectes sont rigoureusement identiques dans le réacteur piston constitué par les N spires.
En se référant à la figure 3, on a une vue du réacteur (1) et de son support (6).
Le réacteur (l) est solidaire de l'axe de rotation (3) par l'intermédiaire de rayons rigides (5) ou tout autre système. L'axe de rotation repose sur un support (6) qui permet de le maintenir et de le faire tourner à l'aide d'un moteur. Le moteur (7) peut être électrique, sa vitesse peut être régulée par un potentiomètre ou tout autre système. Des arrêts peuvent entre ménagés par des contacteurs, ou programmés par une horloge ou par un relais relié à un système électronique. Le sens de rotation du moteur (7) détermine le sens de déplacement des volumes réactionnels.
Des voies d'accès (septa, vannes, robinets...) (8) peuvent entre ménagées pour chaque spire de manière à rendre possible toute injection ou tout prélèvement stérile en cours de fermentation.
Un jet de gaz insufflé à une extrémité du réacteur assure l'agitation et l'oxygénation dans le cas où ce gaz est de Oxygène, de l'air ou un mélange air-oxygène. Le gaz peut être issu d'un compresseur (air) ou d'une bombonne d'air comprimé, il peut être humidifié et régulé en température avant d'entre stérilisé par un filtre ou tout autre système équivalent. Un joint toumant (9), ou tout autre moyen permettant d'amener l'air de la partie fixe vers la partie mobile est placé sur le support (6).
En se reportant à la figure 2, on peut comprendre le principe de l'agitation.
L'air insufflé entraîne une légère augmentation de la pression qui fait monter le liquide dans la spire (fig. 2b) jusqu'à une position d'équilibre. Au-delà de cette position, l'air ou le gaz circule librement d'une spire à l'autre à travers le liquide en formant de grosses poches d'air (fig. 2c) qui assurent une agitation et une oxygénation dans le cas de l'air ou Oxygène équivalentes à celles obtenues dans le cas de réacteurs parfaitement agités. Cette notion est approchée par la valeur du KLa, (KL représente le coefficient global de transfert de masse par rapport au film gazeux en cm,h et a, représente la surface spécifique d'échange en cm2/cm3) qui a été mesure pour différentes conditions de débit d'air et de volume de remplissage de chaque spire. Les résultats présentés tableau 1 et comparés avec ceux obtenus classiquement dans une fiole erlenmeyer de 250 ml ou dans un réacteur parfaitement agité de volume plus important (2 litres - S litres) montrent bien que l'efficacité de l'agitation et de l'aération dans le réacteur piston est au moins équivalente à celle obtenue dans des réacteurs parfaitement agités classiques.
Par ailleurs, le bioréacteur doit répondre aux contraintes classiques des procédés microbiologiques qui sont, la possibilité d"une stérilisation à 121 C pendant 20 minutes et le maintien de cette stérilité après plusieurs jours.
A cette fin, il est ncessaire que le bioréacteur et ces composants en contact avec les microbes soient réalises en matériaux supportant cette stérilisation tels que l'acier inoxydable, le verre ou tout autre matériau présentant cette propriété dans le cas où la stérilisation est réalisée en autoclave et en acier inoxydable ou tout autre matériau équivalent dans le cas où la stérilisation est réalisée in situ. Dans ce dernier cas, l'ensemble avec tous ses composants devra assister à une pression de 2 bars.
Figure img00030001
<tb>
<SEP> TYPE <SEP> DE <SEP> FERMENTEUR <SEP> VALEUR <SEP> DU <SEP> KL.a
<tb> * <SEP> Erlenmeyer <SEP> de <SEP> 250 <SEP> ml <SEP> avec <SEP> 100 <SEP> ml <SEP> de <SEP> solution <SEP> agité <SEP> à <SEP> 250 <SEP> rpm <SEP> ... <SEP> . <SEP> . <SEP> 15.h-1
<tb> * <SEP> Fermenteur <SEP> industriel <SEP> de <SEP> 2 <SEP> à <SEP> 5 <SEP> litres <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 50 <SEP> - <SEP> 120.h-1 <SEP>
<tb> * <SEP> Bioréacteur <SEP> à <SEP> écoulement <SEP> piston <SEP> (prototype)
<tb> <SEP> - <SEP> à <SEP> 80 <SEP> ml <SEP> de <SEP> solution <SEP> et <SEP> à <SEP> 20 <SEP> l.h-1 <SEP> d'air... <SEP> ...... <SEP> 42.h-1
<tb> <SEP> - <SEP> à <SEP> 80 <SEP> ml <SEP> de <SEP> solution <SEP> et <SEP> à <SEP> 60 <SEP> l.h-1 <SEP> d'air.................... <SEP> 120.h-1
<tb> <SEP> - <SEP> à <SEP> 20 <SEP> ml <SEP> de <SEP> solution <SEP> et <SEP> à <SEP> 60 <SEP> l.h-1 <SEP> d'air.................... <SEP> 203.h-1
<tb>
Tableau n 1 : Comparaison des valeurs du KL.a dans le réacteur piston et dans les réacteurs
classiques

Claims (5)

  1. REVENDICATIDNS 1. Dispositif de fermentation permettant un écoulement piston du milieu réactionnel composé de substrat nutritif et de microorganismes, et permettant donc une fermentation en continu sans phénomène de dilution de ce milieu, caractérisé en ce qu'il comporte: - un tube hélicoïdal (1) dont l'enroulement permet de créer N spires successives et donc N réacteurs parfaitement agités; - un système d'injection d'air (9) permettant la circulation d'air et donc l'agitation des N spires successives; - un système d'injection de liquide (4) permettant de remplir séquentiellement et incomplètement la première spire (2); - un système motorisé (7) qui permet la rotation du tube hélicoïdal (1) et qui induit la vidange progressive du contenu de la première spire (2) dans la deuxième spire.
  2. 2. Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les matériaux utilisés qui-sont directement ou indirectement en contact avec les microbes, soient stérilisables in situ ou à l'autoclave (acier inoxydable, téflon, ...).
  3. 3. Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens utilisés pour maintenir (6) et faire toumer (7) le tube hélicoïdal (1) sont constitues d'un axe (3) muni de rayons (5) relié à un moteur (7) par un engrenage.
  4. 4. Dispositif suivant les revendications 1 et 3 caractérisé en ce que les moyens utilisés pour maintenir (6) et faire toumer le tube hélicoïdal (1) sont constitués d'un rail fixe muni d'un engrenage motorisé permettant d'augmenter l'accessibilité à Intérieur du tube hélicoïdal (I).
  5. 5. Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens utilisés pour injecter l'air (9) permettent une circulation de l'air à contre courant de la rotation mécanique du réacteur.
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