FR2781391A1 - Homogenizing two liquids in bioreactor operation using two vessels, one for e.g. sampling, measurement and nutrient introduction, one for culturing, with flow alternating between them through filter maintaining sterility - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE ET APPAREIL POUR L'HOMOGENEISATIONMETHOD AND APPARATUS FOR HOMOGENEATION
DE DEUX MILIEUX LIQUIDES CONTENANT DES COMPOSANTS TWO LIQUID MEDIA CONTAINING COMPONENTS
SOLIDES OU DISSOUS ET/OU DES MICRO-ORGANISMES SOLIDS OR DISSOLVED AND / OR MICROORGANISMS
L'invention concerne un procédé et un appareil pour l'homogénéisation de deux milieux liquides contenant des composants solides ou The invention relates to a method and an apparatus for the homogenization of two liquid media containing solid or
dissous et/ou des micro-organismes.dissolved and / or microorganisms.
Les procédés de fermentation mettant en jeu des micro- Fermentation processes involving micro-
organismes, tels que levures ou bactéries, sont couramment utilisés dans de lo nombreux domaines tels que l'industrie agro-alimentaire, l'oenologie, l'industrie pharmaceutique, la cosmétique.... Toutefois, la mise en oeuvre de ces techniques se heurte à l'heure actuelle à des difficultés rencontrées, d'une part en phase laboratoire pour l'obtention de données cinétiques fiables destinées à l'optimisation et à la modélisation des procédés fermentaires, et d'autre part, en phase d'exploitation industrielle pour le suivi et le contrôle des différents paramètres. Concernant la phase laboratoire, les procédés de fermentation mettant en jeu une seule espèce de micro-organismes, tels que levures ou bactéries, sont à l'heure actuelle assez bien maîtrisés. En effet, il existe différents modèles pour prévoir les évolutions dans le temps de la biomasse, des organisms, such as yeasts or bacteria, are commonly used in many areas such as the food industry, oenology, the pharmaceutical industry, cosmetics, etc. However, the implementation of these techniques is is currently encountering difficulties encountered, on the one hand in the laboratory phase for obtaining reliable kinetic data intended for the optimization and modeling of fermentation processes, and on the other hand, in the exploitation phase industrial for monitoring and control of different parameters. Regarding the laboratory phase, the fermentation processes involving a single species of microorganisms, such as yeasts or bacteria, are currently fairly well controlled. Indeed, there are different models for predicting changes over time in biomass,
substrats et des produits. Par contre, lorsque plusieurs espèces de micro- substrates and products. On the other hand, when several species of micro-
organismes sont mises en jeu, cas de plus en plus fréquent en milieu industriel, la modélisation, essentielle pour la conduite du procédé, des diverses interactions qu'il convient de favoriser o d'inhiber selon le but à atteindre, s'avère actuellement difficile voire inexistante par manque ou imprécision de données expérimentales, en particulier sur les concentrations cellulaires distinctes de chaque famille mise en jeu, résultant de la lourdeur des méthodes analytiques organisms are involved, an increasingly frequent case in an industrial environment, modeling, essential for the conduct of the process, of the various interactions that should be encouraged or inhibited depending on the goal to be achieved, is currently difficult or even nonexistent due to the lack or imprecision of experimental data, in particular on the distinct cell concentrations of each family involved, resulting from the heaviness of the analytical methods
discriminantes à mettre en oeuvre.discriminating to implement.
Les techniques actuelles utilisées dans la phase analytique de l'étude de populations mixtes de micro-organismes sont en effet longues et The current techniques used in the analytical phase of the study of mixed populations of microorganisms are indeed long and
fastidieuses, ou s'avèrent conduire à des résultats très aléatoires. tedious, or turn out to lead to very random results.
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Ainsi, par exemple, l'observation au microscope effectuée dans le cas o les espèces sont morphologiquement différentes, fournit des résultats de la croissance de chaque espèce avec un pourcentage minimal d'erreur de l'ordre de 7 % qui peut atteindre 25 % selon l'âge de culture, lorsque les micro-organismes tendent à avoir des contours qui se ressemblent. Dans les cas les plus fréquents d'espèces morphologiquement semblables, la technique actuelle consiste à recourir à des extractions et à des analyses d'ADN par électroporèse qui s'avèrent des méthodes lourdes et onéreuses. Enfin, dans le cas d'interaction de type amensalisme des o0 tests sur milieux de cultures solides ou liquides ont été mis au point. Toutefois, leur mise en oeuvre nécessite une nouvelle fermentation, c'est-à-dire environ vingt heures supplémentaires d'expérimentation, et ce pour fournir un seul point à Thus, for example, observation under the microscope carried out in the case where the species are morphologically different, provides results of the growth of each species with a minimum percentage of error of the order of 7% which can reach 25% depending on the culture age, when microorganisms tend to have similar contours. In the most frequent cases of morphologically similar species, the current technique consists in resorting to DNA extractions and analyzes by electroporesis which prove to be cumbersome and expensive methods. Finally, in the case of amensalism-type interaction, o0 tests on solid or liquid culture media have been developed. However, their implementation requires a new fermentation, that is to say about twenty additional hours of experimentation, and this to provide a single point to
l'expérimentation principale.the main experiment.
Pour tenter de pallier ces inconvénients, il a été conçu un appareil, décrit dans le brevet US 3.893.891 visant à permettre de recourir aux seules méthodes les plus classiques en microbiologie reconnues fiables et In an attempt to overcome these drawbacks, an apparatus has been designed, described in US Pat. No. 3,893,891, aiming to make it possible to use only the most conventional methods in microbiology recognized as reliable and
rapides, en vue de maîtriser l'étude des populations mixtes des microorganismes. rapid, in order to master the study of mixed populations of microorganisms.
Cet appareil comprend à cet effet plusieurs chambres de cultures séparées par des membranes filtrantes dans chacune desquelles peut évoluer une culture, tout en autorisant une libre diffusion entre lesdites chambres des produits métaboliques This device comprises for this purpose several culture chambers separated by filter membranes in each of which a culture can evolve, while allowing free diffusion between said chambers of metabolic products.
de chacune desdites cultures. Ainsi, dans le cas de solides ou de micro- of each of said cultures. So in the case of solids or micro-
organismes, les particules ou les souches étant pures dans chaque chambre, les prélèvements et les analyses de matière sèche ou de biomasse sont effectués exactement comme dans le cas de suspensions ou de cultures pures, techniques qui sont aisées et parfaitement maîtrisées. Toutefois, dans la pratique, un tel appareil conçu pour assurer par diffusion naturelle le transfert au travers des membranes des composés dissous, s'est avéré le plus fréquemment inapte à permettre le suivi de la concentration de la biomasse, car du fait de la lenteur de ce transfert et de la présence de réactions biologiques plus rapides, des gradients de concentration et les différences de pression osmotique résultantes entraînent des problèmes de maintien des volumes dans les chambres. De ce fait, un tel appareil s'avère uniquement destiné à être utilisé avec des cellules à croissance organisms, the particles or strains being pure in each chamber, the samples and analyzes of dry matter or biomass are carried out exactly as in the case of suspensions or pure cultures, techniques which are easy and perfectly mastered. However, in practice, such an apparatus designed to ensure, by natural diffusion, the transfer through the membranes of the dissolved compounds, has most often been found to be incapable of allowing the monitoring of the biomass concentration, because of the slowness from this transfer and from the presence of faster biological reactions, concentration gradients and the resulting osmotic pressure differences lead to problems of maintaining volumes in the chambers. Therefore, such a device is only intended for use with growing cells
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lente telles que plus particulièrement des cellules végétales, et non pas avec des micro-organismes, tels que levures ou bactéries, plus particulièrement destinés slow such as more particularly plant cells, and not with microorganisms, such as yeasts or bacteria, more particularly intended
aux fermentations d'intérêt industriel. to fermentations of industrial interest.
Concernant la phase d'exploitation industrielle des techniques de fermentation, les fermenteurs classiques actuels comportent des couvercles dotés d'un foisonnement de piquages destinés à la mesure des divers paramètres de fonctionnement ou à l'introduction de multiples sondes. Or, une telle conception conduit à de nombreux inconvénients. En effet, et en premier lieu, les différents piquages constituent autant de points faibles tant du point de Regarding the industrial exploitation phase of fermentation techniques, current conventional fermenters include covers with an abundance of tappings intended for the measurement of various operating parameters or for the introduction of multiple probes. However, such a design leads to numerous drawbacks. Indeed, and in the first place, the different tappings constitute as many weak points both from the point of
l0 vue de l'étanchéité que de la tenue en pression et de la stérilité. l0 view of the tightness as the pressure resistance and sterility.
De plus, les différentes sondes de mesure utilisées doivent être stérilisées et donc réalisées en un matériau stérilisable dont le prix de revient obère le coût de telles sondes. En outre, toute défection d'une sonde nécessitant son remplacement ou même toute vérification de l'état d'une sonde, conduit à In addition, the various measurement probes used must be sterilized and therefore made of a sterilizable material, the cost price of which obstructs the cost of such probes. In addition, any defection of a probe requiring its replacement or even any verification of the state of a probe, leads to
l'obligation d'arrêter totalement la production du bioréacteur. the obligation to completely stop production of the bioreactor.
Par ailleurs, lorsque le suivi du processus nécessite la prise d'échantillons, les échantillons prélevés ne peuvent être ré-injectés par la suite dans le réacteur et sont donc perdus. Il est à noter concernant ce dernier point que lorsque les mesures ne nécessitent qu'un simple contact avec la solution, il a été Furthermore, when monitoring the process requires taking samples, the samples taken cannot be re-injected into the reactor afterwards and are therefore lost. It should be noted regarding this last point that when the measurements require only a simple contact with the solution, it has been
conçu des instruments de mesure ne nécessitant pas la prise d'échantillons. designed measuring instruments that do not require sampling.
Toutefois, de tels instruments s'avèrent retenir les micro-organismes, et par However, such instruments appear to retain microorganisms, and by
conséquent, ils se colmatent et deviennent rapidement inutilisables. Consequently, they become clogged and quickly become unusable.
La présente invention vise à pallier l'ensemble des inconvénients cidessus décrits des techniques de fermentation actuelles et a pour premier objectif de fournir un procédé permettant de maîtriser l'étude des The present invention aims to overcome all of the above-described drawbacks of current fermentation techniques and has as its first objective to provide a process making it possible to master the study of
populations mixtes de composants solides et/ou dissous et/ou de micro- mixed populations of solid and / or dissolved components and / or micro-
organismes par la mise en oeuvre de méthodes classiques reconnues fiables et organisms by implementing conventional methods recognized as reliable and
rapides en microbiologie.rapid in microbiology.
Un autre objectif de l'invention est de fournir un appareil palliant les inconvénients inhérents aux concepts des fermenteurs actuels en Another objective of the invention is to provide an apparatus which overcomes the drawbacks inherent in the concepts of current fermenters in
matière de relevés de mesure et de prise d'échantillons. matter of measurement and sample taking.
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A cet effet, l'invention vise un procédé d'homogénéisation de deux milieux liquides contenant des composants solides et/ou dissous et/ou des micro-organismes, caractérisé en ce que: on utilise deux réservoirs hermétiquement clos communiquant par l'intermédiaire d'une conduite débouchant dans le volume supérieur desdits réservoirs, et prolongée dans au moins un de ces réservoirs par un module de filtration constitué de membranes fibres creuses scellées au niveau d'une de leurs extrémités dans un embout monté sur ladite conduite et obturées au niveau de leur extrémité opposée, lesdites membranes fibres creuses présentant To this end, the invention relates to a process for the homogenization of two liquid media containing solid and / or dissolved components and / or microorganisms, characterized in that: two hermetically sealed reservoirs are used communicating via '' a pipe opening into the upper volume of said tanks, and extended in at least one of these tanks by a filtration module consisting of hollow fiber membranes sealed at one of their ends in a nozzle mounted on said pipe and closed at from their opposite end, said hollow fiber membranes having
un seuil de coupure inférieur à la taille minimale des composants et/ou micro- a cutoff threshold lower than the minimum size of the components and / or micro-
organismes que l'on souhaite confiner dans chaque réservoir, on remplit chaque réservoir d'un des milieux liquides de façon que la conduite de communication plonge dans chacun des milieux liquides et que chaque module de filtration se trouve immergé, 15. on commande cycliquement et de façon alternative le transfert d'un volume de la phase liquide renfermée dans un des réservoirs vers l'autre réservoir, au travers de la conduite de communication et de chaque module de filtration, et on procède périodiquement à des relevés de mesure organisms that we wish to confine in each tank, we fill each tank with one of the liquid media so that the communication line plunges into each of the liquid media and that each filtration module is submerged, 15. we control cyclically and alternatively the transfer of a volume of the liquid phase contained in one of the tanks to the other tank, through the communication line and each filtration module, and measurement measurements are made periodically.
et/ou à des prélèvements d'échantillons dans au moins un des réservoirs. and / or taking samples from at least one of the tanks.
Le procédé selon l'invention a donc consisté à isoler deux milieux liquides de part et d'autre d'un module de filtration constitué de membranes fibres creuses de façon à séparer deux espèces de composants et/ou de micro-organismes tout en conservant une identité de composition de la phase 2s liquide grâce à un transfert rapide au travers de la membrane assurant le mélange The method according to the invention therefore consisted in isolating two liquid media on either side of a filtration module consisting of hollow fiber membranes so as to separate two species of components and / or micro-organisms while retaining a composition identity of the liquid phase 2s thanks to rapid transfer through the membrane ensuring mixing
et l'homogénéisation des phases liquides des deux réservoirs. and the homogenization of the liquid phases of the two reservoirs.
De plus, le mélange et l'homogénéisation des phases liquides des deux réservoirs sont obtenus selon ce procédé grâce à un transfert alternatif de ces dernières entre les deux réservoirs au travers d'une conduite unique, qui conduit, en outre, de façon avantageuse, à une régénération du In addition, the mixing and homogenization of the liquid phases of the two reservoirs is obtained according to this process thanks to an alternating transfer of the latter between the two reservoirs through a single pipe, which also leads advantageously, to a regeneration of the
module de filtration et confèere donc à ce module un caractère autonettoyant. filtration module and therefore gives this module a self-cleaning character.
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Il est à noter, en outre, que le module de filtration est technologiquement aisé à réaliser et peut être stérilisé en même temps que l'appareillage. De plus, compte tenu de son positionnement, ce module de filtration est facilement accessible. Enfin, de par sa conception, ce module de filtration présente un taux de remplissage élevé (surface de filtration par unité de volume du module) et conduit à une limitation du volume mort d'un point de vue It should be noted, moreover, that the filtration module is technologically easy to produce and can be sterilized at the same time as the apparatus. In addition, given its positioning, this filtration module is easily accessible. Finally, by its design, this filtration module has a high filling rate (filtration area per unit volume of the module) and leads to a limitation of the dead volume from a point of view
des transferts de charges.charge transfers.
Selon une première application, un tel procédé peut être mis en oeuvre pour l'étude en laboratoire de cultures mixtes de composants o0 solides et/ou dissous et/ou de micro-organismes. Dans ce cas, les particules ou les souches étant pures dans chaque réservoir, les prélèvements et les analyses de matière sèche ou de biomasse peuvent être réalisées comme dans le cas de suspensions ou de cultures pures, techniques qui sont aisées et parfaitement maîtrisées. Selon une deuxième application, ce procédé peut être mis en oeuvre pour la réalisation d'une chambre d'échantillonnage stérile associée à un bioréacteur, cette chambre d'échantillonnage constituant alors un des réservoirs, et le bioréacteur l'autre réservoir. Dans ce cas, les sondes de mesure n'ont pas lieu d'être stérilisées, et les risques de contamination sont réduits par diminution des piquages dans le couvercle du bioréacteur. De plus, les sondes sont isolées du bioréacteur, et leur vérification ou leur remplacement ne nécessite According to a first application, such a method can be implemented for the study in the laboratory of mixed cultures of solid and / or dissolved components or / and of microorganisms. In this case, the particles or the strains being pure in each reservoir, the samples and analyzes of dry matter or biomass can be carried out as in the case of suspensions or pure cultures, techniques which are easy and perfectly controlled. According to a second application, this method can be implemented for the production of a sterile sampling chamber associated with a bioreactor, this sampling chamber then constituting one of the reservoirs, and the bioreactor the other reservoir. In this case, the measurement probes do not need to be sterilized, and the risks of contamination are reduced by reducing the tapping in the cover of the bioreactor. In addition, the probes are isolated from the bioreactor, and their verification or replacement does not require
pas d'arrêts de la production.no production stops.
De plus, le procédé selon l'invention présente l'avantage de permettre d'effectuer l'ensemble des mesures et des prélèvements dans la chambre d'échantillonnage et de réintroduire l'excédent d'échantillon dans le bioréacteur, et ce sans souci de stérilité du fait du caractère stérilisant des In addition, the method according to the invention has the advantage of making it possible to carry out all of the measurements and samples in the sampling chamber and to reintroduce the excess of sample into the bioreactor, and this without worrying about sterility due to the sterilizing nature of
membranes fibres creuses utilisées. hollow fiber membranes used.
Selon cette application, en outre, le module de filtration According to this application, in addition, the filtration module
peut être disposé soit dans le bioréacteur, soit dans la chambre d'échantillonnage. can be placed either in the bioreactor or in the sampling chamber.
La première solution présente l'avantage de supprimer tous les problèmes de stérilisation, en dehors du bioréacteur lui-même. La seconde solution présente The first solution has the advantage of eliminating all sterilization problems, apart from the bioreactor itself. The second solution presents
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quant à elle l'avantage de permettre des contrôles et des remplacements éventuels the advantage of allowing checks and possible replacements
aisés du module de filtration.easy from the filtration module.
Selon un mode de mise en oeuvre préférentiel du procédé selon l'invention, on maintient chaque réservoir sous pression au moyen d'une source pneumatique, et on commande le transfert alternatif des phases liquides en augmentant la pression pneumatique dans un des réservoirs, et en mettant According to a preferred embodiment of the method according to the invention, each tank is kept under pressure by means of a pneumatic source, and the alternating transfer of the liquid phases is controlled by increasing the pneumatic pressure in one of the tanks, and by putting
simultanément l'autre réservoir à la pression atmosphérique. simultaneously the other tank at atmospheric pressure.
Ce mode de mise en oeuvre préférentiel présente en premier lieu l'avantage de conduire à une diminution optimale du volume mort du point de vue transfert des charges. De plus, le choix du gaz permettant la surpression des réservoirs et le transfert reste large. On peut en effet opérer avec des gaz inertes (anaérobiose stricte) ou en condition d'aérobiose. Enfin, la mise à l'atmosphère cyclique de chacun des réservoirs permet d'évacuer naturellement, sans ajout d'un quelconque moyen le dioxyde de carbone produit par la This preferred mode of implementation firstly has the advantage of leading to an optimal reduction in dead volume from the point of view of charge transfer. In addition, the choice of gas allowing overpressure of the tanks and transfer remains wide. One can indeed operate with inert gases (strict anaerobic) or in aerobic condition. Finally, putting in the cyclic atmosphere of each of the reservoirs makes it possible to naturally evacuate the carbon dioxide produced by the
fermentation.fermentation.
Selon une autre caractéristique de l'invention, on procède aux inversions du sens d'écoulement des phases liquides après transfert d'un volume prédéterminé de chacune desdites phases liquides. Ce mode de mise en oeuvre permet en effet de maintenir des niveaux de liquide sensiblement stables According to another characteristic of the invention, the direction of flow of the liquid phases is reversed after transfer of a predetermined volume of each of said liquid phases. This mode of implementation makes it possible to maintain substantially stable liquid levels
dans les réservoirs.in the tanks.
De plus, en vue d'ajuster le volume transféré, et de façon avantageuse, on détecte le niveau de liquide dans au moins un des réservoirs, et on commande l'inversion du sens d'écoulement lors de l'obtention d'un niveau de In addition, in order to adjust the transferred volume, and advantageously, the level of liquid is detected in at least one of the reservoirs, and the reversal of the flow direction is controlled when a level is obtained. of
liquide prédéterminé dans ledit réservoir. predetermined liquid in said tank.
L'invention s'étend à un appareil pour l'homogénéisation de deux milieux liquides contenant des composants solides et/ou dissous et/ou des microorganismes, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison: - deux réservoirs hermétiquement clos destinés à renfermer chacun un milieu liquide, - une conduite de mise en communication des deux réservoirs dotée de tronçons d'extrémités s'étendant chacun dans un desdits réservoirs de façon à plonger dans le milieu liquide renfermé dans ce dernier, The invention extends to an apparatus for the homogenization of two liquid media containing solid and / or dissolved components and / or microorganisms, characterized in that it comprises in combination: - two hermetically sealed reservoirs intended to contain each a liquid medium, a line for placing the two reservoirs in communication, having end sections each extending in one of said reservoirs so as to immerse in the liquid medium contained in the latter,
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- au moins un module de filtration monté dans le prolongement d'un des tronçons d'extrémité de la conduite de mise en communication des réservoirs de façon à être immergé dans le milieu liquide renfermé dans ledit réservoir, ledit module de filtration étant constitué d'un s faisceau de membranes fibres creuses présentant un seuil de coupure inférieur à la taille minimale des solides et/ou micro-organismes à confiner dans les réservoirs, lesdites membranes fibres creuses étant scellées au niveau d'une de leur extrémité, dite supérieure, dans un embout monté sur le tronçon d'extrémité de la conduite, et étant obturées au niveau de leur extrémité opposée, dite inférieure, - des moyens de mise en circulation adaptés pour permettre des transferts de liquide dans les deux sens entre les réservoirs, au travers de la conduite de communication et de chaque module de filtration, - des moyens d'asservissement des moyens de mise en circulation adaptés pour commander cycliquement et de façon alternative le at least one filtration module mounted in the extension of one of the end sections of the tank connection pipe so as to be immersed in the liquid medium contained in said tank, said filtration module consisting of a bundle of hollow fiber membranes having a cutoff threshold lower than the minimum size of the solids and / or microorganisms to be confined in the reservoirs, said hollow fiber membranes being sealed at one of their ends, called the top, in a nozzle mounted on the end section of the pipe, and being closed at their opposite end, called the lower end, - circulation means adapted to allow transfers of liquid in both directions between the tanks, through of the communication line and of each filtration module, - means for controlling the circulation means adapted for comma cyclically and alternatively the
transfert d'un volume du liquide renfermé dans un réservoir vers l'autre réservoir. transfer of a volume of the liquid contained in one reservoir to the other reservoir.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de mise en circulation comprennent des moyens pneumatiques de mise sous pression de chaque réservoir, et des moyens de mise à l'atmosphère de chacun desdits réservoirs, et les moyens d'asservissement sont adaptés pour commander de façon alternative la mise sous pression d'un des réservoirs et simultanément la According to another characteristic of the invention, the means for circulating comprise pneumatic means for pressurizing each tank, and means for venting each of said tanks, and the servo means are suitable for alternatively control the pressurization of one of the tanks and simultaneously the
mise à l'atmosphère de l'autre réservoir. venting the other tank.
Dans ce cas, en outre, et selon une autre caractéristique de l'invention: - les moyens pneumatiques comprennent une source pneumatique reliée à chacun des réservoirs par des moyens de canalisation comportant, pour chacun desdits réservoirs, un organe d'obturation, - les organes de mise à l'atmosphère consistent, pour chaque réservoir, en un organe d'obturation installé sur la paroi supérieure dudit réservoir, - les moyens d'asservissement sont reliés aux organes d'obturation de mise sous pression et de mise à l'atmosphère des réservoirs, et In this case, moreover, and according to another characteristic of the invention: - the pneumatic means comprise a pneumatic source connected to each of the reservoirs by channeling means comprising, for each of said reservoirs, a closure member, - the air release members consist, for each tank, of a shutter member installed on the upper wall of said tank, - the servo means are connected to the shutter members of pressurization and setting atmosphere of the reservoirs, and
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adaptés pour commander séquentiellement les cycles d'ouverture et de fermeture adapted for sequentially controlling the opening and closing cycles
desdits organes.of said organs.
Par ailleurs, chaque réservoir est préférentiellement équipé d'un détecteur de niveau, et les moyens d'asservissement sont reliés auxdits détecteurs de niveau et programmés pour commander des inversions du cycle Furthermore, each tank is preferably equipped with a level detector, and the servo means are connected to said level detectors and programmed to control cycle inversions.
pour des niveaux prédéterminés de liquide dans lesdits réservoirs. for predetermined levels of liquid in said tanks.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention Other characteristics, aims and advantages of the invention
ressortiront de la description détaillée qui suit en référence aux dessins annexés will emerge from the detailed description which follows with reference to the appended drawings
qui en représentent à titre d'exemples non limitatifs deux modes de réalisation which represent by way of nonlimiting examples two embodiments
préférentiels. Sur ces dessins qui font partie intégrante de la présente description: preferential. On these drawings which form an integral part of this description:
- la figure 1 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation d'un appareil conforme à l'invention, - la figure 2 est une courbe représentant l'évolution en biomasse et en glucose pour une fermentation avec Kluyveromices marxianus, - la figure 3 est une courbe représentant l'évolution en biomasse et en glucose pour une fermentation avec Saccharomyces cerevisiae, - la figure 4 est une courbe représentant l'évolution en biomasse et en glucose pour une fermentation avec Kluyveromices et Saccharomyces, avec des souches séparées selon l'invention, - la figure 5 est une courbe représentant l'évolution en biomasse et en glucose pour une fermentation avec Kluyveromices et Saccharomyces, avec des souches mélangées dans un fermenteur classique, la figure 6 est une courbe représentant l'évolution du temps de mélange en fonction du volume déplacé, - et la figure 7 est une vue schématique d'un deuxième - Figure 1 is a schematic view of a first embodiment of an apparatus according to the invention, - Figure 2 is a curve representing the evolution in biomass and glucose for fermentation with Kluyveromices marxianus, - the Figure 3 is a curve representing the evolution in biomass and glucose for a fermentation with Saccharomyces cerevisiae, - Figure 4 is a curve representing the evolution in biomass and glucose for a fermentation with Kluyveromices and Saccharomyces, with separate strains according to the invention, - Figure 5 is a curve representing the evolution in biomass and glucose for fermentation with Kluyveromices and Saccharomyces, with strains mixed in a conventional fermenter, Figure 6 is a curve representing the evolution of the time of mixing depending on the volume moved, - and Figure 7 is a schematic view of a second
mode de réalisation d'un appareil conforme à l'invention. embodiment of an apparatus according to the invention.
L'appareil représenté à la figure 1 est un appareil d'étude en laboratoire des cultures mixtes de micro-organismes destiné à permettre The apparatus represented in FIG. 1 is an apparatus for studying in the laboratory mixed cultures of microorganisms intended to allow
d'optimiser les procédés industriels. optimize industrial processes.
Il se compose de deux réservoirs identiques 1, 2 d'une capacité maximale de deux litres chacun, obturés par des couvercles 3, 4 It consists of two identical tanks 1, 2 with a maximum capacity of two liters each, closed by covers 3, 4
hermétiques percés d'orifices de piquage. airtight holes pierced with tapping holes.
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Ces deux réservoirs 1, 2 sont mis en communication par l'intermédiaire d'une conduite 5 s'étendant au travers d'orifices ménagés dans les These two reservoirs 1, 2 are placed in communication via a pipe 5 extending through orifices provided in the
couvercles 3, 4 de façon à déboucher dans le volume supérieur desdits réservoirs. covers 3, 4 so as to open into the upper volume of said tanks.
De plus, une des extrémités de la conduite d'alimentation 5 située dans un des réservoirs 2 est prolongée par un module de filtration 6 constitué de membranes fibres creuses stérilisables (par exemple à la vapeur), repliées en U et scellées ensembles, au niveau de leur extrémité ouverte, dans un embout 7 de résine moulée conçu pour être monté autour de ladite conduite par In addition, one end of the supply line 5 located in one of the tanks 2 is extended by a filtration module 6 consisting of hollow fiber membranes which can be sterilized (for example by steam), folded in a U shape and sealed together, at the level from their open end, in a molded resin end piece 7 designed to be mounted around said pipe by
un système de type connu en soi de bague et de presse-étoupe. a system of the type known per se of ring and cable gland.
Les membranes fibres creuses de ce module de filtration 6 sont des fibres de microfiltration (seuil de coupure d'environ 0,2 glm) et présentent par exemple des diamètres interne et externe respectifs de 0, 3 mm et 0,45 mm. Le module de filtration est constitué d'environ mille fibres et possède ainsi une surface de filtration d'environ mille centimètres carrés. En outre, la The hollow fiber membranes of this filtration module 6 are microfiltration fibers (cut-off threshold of approximately 0.2 μm) and have, for example, respective internal and external diameters of 0.3 mm and 0.45 mm. The filtration module is made up of around a thousand fibers and thus has a filtration area of around a thousand square centimeters. In addition, the
perméabilité moyenne des fibres est de 2 ml/min/bar/cm2. average fiber permeability is 2 ml / min / bar / cm2.
Cet appareil comprend par ailleurs un premier couple d'électrovannes 8, 9, chacune montée sur le couvercle 3, 4 d'un réservoir 1, 2, dont les entrées d'alimentation sont dotées d'une membrane de stérilisation au niveau de leur entrée d'alimentation et sont alimentées par une source d'air This device also comprises a first pair of solenoid valves 8, 9, each mounted on the cover 3, 4 of a reservoir 1, 2, the feed inlets of which are provided with a sterilization membrane at their inlet. supply and are powered by an air source
comprimé (non représentée) commune auxdites électrovannes. tablet (not shown) common to said solenoid valves.
Cet appareil comprend, en outre, un second couple d'électrovannes 10, 11, chacune montée également sur le couvercle 3, 4 d'un réservoir 1, 2, destinées à faire office d'évents pour lesdits réservoirs et dotés This device further comprises a second pair of solenoid valves 10, 11, each also mounted on the cover 3, 4 of a tank 1, 2, intended to act as vents for said tanks and provided
d'une membrane de stérilisation au niveau de leur sortie. a sterilization membrane at their outlet.
Le cycle d'ouverture et de fermeture de ces électrovannes 8, 11, destiné à permettre de transférer de façon alternative un volume donné de liquide d'un réservoir 1, 2 à l'autre, est géré par un boîtier électronique 12 auquel sont reliés deux détecteurs de niveaux 13, 14 en acier inoxydable disposés The opening and closing cycle of these solenoid valves 8, 11, intended to allow an alternative transfer of a given volume of liquid from a reservoir 1, 2 to the other, is managed by an electronic unit 12 to which are connected two level detectors 13, 14 made of stainless steel arranged
chacun dans un réservoir 1, 2.each in a tank 1, 2.
Les conditions opératoires destinées au suivi de la croissance de populations mixtes, sont les suivantes: 1o0 2781391 en premier lieu, chaque réservoir 1, 2 est rempli partiellement au moyen d'un même volume d'un des milieux liquides contenant une des espèces considérées, adapté pour que les extrémités de la conduite de communication 5 plongent dans lesdits milieux liquides et que le module de filtration 6 soit immergé. Préalablement au démarrage proprement dit de l'expérimentation, le volume de liquide à transférer lors de chaque alternance de The operating conditions intended for monitoring the growth of mixed populations are as follows: firstly, 2781391 first, each reservoir 1, 2 is partially filled by means of the same volume of one of the liquid media containing one of the species considered, adapted so that the ends of the communication line 5 plunge into said liquid media and that the filtration module 6 is immersed. Prior to the actual start of the experiment, the volume of liquid to be transferred during each alternation of
cycle est déterminé. Il s'avère en effet qu'il existe un volume d'échange idéal, au- cycle is determined. It turns out that there is an ideal exchange volume,
delà duquel aucun gain en matière de qualité de mélange ne peut être obtenu. Ce phénomène ressort de l'analyse de la figure 6 qui représente l'évolution expérimentale du temps de mélange en fonction du volume déplacé lors de chaque transfert. Il ressort, en effet, de l'examen de cette figure, que pour des volumes d'échange supérieurs ou égaux à 100 ml, les courbes obtenues sont quasiment confondues, et que par conséquent, il est inutile d'échanger des beyond which no gain in terms of quality of mixture can be obtained. This phenomenon emerges from the analysis of FIG. 6 which represents the experimental evolution of the mixing time as a function of the volume moved during each transfer. It emerges, indeed, from the examination of this figure, that for exchange volumes greater than or equal to 100 ml, the curves obtained are almost identical, and that consequently, it is useless to exchange
s5 volumes supérieurs à 100 ml dans le cadre d'un appareillage tel que décrit ci- s5 volumes greater than 100 ml within the framework of an apparatus as described above
dessus. Une fois ce volume d'échange déterminé, la phase opératoire est effectivement lancée, et des prélèvements d'échantillons sont réalisés périodiquement au niveau d'un piquage 15, 16 dans chacun des above. Once this exchange volume has been determined, the operating phase is effectively launched, and samples are taken periodically from a tap 15, 16 in each of the
couvercles 3, 4.covers 3, 4.
Les figures 2, 3 et 5 représentent des courbes d'évolution obtenues lors d'expérimentations effectuées en vue de valider l'appareil selon l'invention. En premier lieu, les figures 2 et 3 représentent des courbes d'évolution obtenues pour des expérimentations ayant consisté à remplir initialement les deux réservoirs 1, 2 au moyen de milieux nutritifs (eau plus nutriment comportant du glucose), et à ensemencer un seul desdits réservoirs au moyen respectivement de Kluyveromices marxianus (figure 2) et de Figures 2, 3 and 5 show evolution curves obtained during experiments carried out with a view to validating the device according to the invention. Firstly, FIGS. 2 and 3 represent evolution curves obtained for experiments having consisted of initially filling the two reservoirs 1, 2 with nutritive media (water plus nutrient comprising glucose), and inoculating only one of said reservoirs by means of Kluyveromices marxianus (Figure 2) and
Saccharomyces cerevisiae (figure 3). Saccharomyces cerevisiae (Figure 3).
Il ressort de l'examen de ces figures, sur chacune desquelles sont représentées, d'une part la courbe d'évolution de la teneur en biomasse, et d'autre part les courbes d'évolution de la teneur en glucose dans chacun des il 2781391 réservoirs 1, 2, que l'on obtient une homogénéisation des concentrations en It emerges from the examination of these figures, on each of which are represented, on the one hand the evolution curve of the biomass content, and on the other hand the evolution curves of the glucose content in each of it 2781391 reservoirs 1, 2, that a homogenization of the concentrations in
glucose dans les phases liquides desdits réservoirs. glucose in the liquid phases of said reservoirs.
Le glucose étant, pour ces expérimentations, le substrat limitant, il ressort donc de l'analyse des courbes des figures 2 et 3, que quelle que soit la cinétique de consommation, on obtient, selon le procédé de l'invention, une homogénéisation de la concentration en solutés dans les phases liquides des Glucose being, for these experiments, the limiting substrate, it therefore emerges from the analysis of the curves of FIGS. 2 and 3, that whatever the consumption kinetics, the homogenization of the solute concentration in the liquid phases of
deux réservoirs.two tanks.
La figure 5 représente, quant à elle, les courbes d'évolution obtenues sur un couple de micro-organismes de compétition sur un substrat. En l'exemple, les souches sont constituées de Saccharomyces cerevisiae et de FIG. 5 represents, for its part, the evolution curves obtained on a pair of competition microorganisms on a substrate. In the example, the strains consist of Saccharomyces cerevisiae and
Kluyveromices marxianus, et le substrat consiste en du glucose. Kluyveromices marxianus, and the substrate consists of glucose.
Le choix de telles souches a également pour but de permettre de valider l'appareil, car les deux espèces sont morphologiquement différentes et donc identifiables sous microscope, et les cinétiques de croissance 1S distinctes peuvent ainsi être obtenues, même si les micro-organismes sont mélangés. On observe, par comparaison des courbes de croissance et de disparition du substrat représentées à la figure 5, obtenues selon le procédé de l'invention, et de celles représentées à la figure 4 obtenues à partir d'un mélange des deux espèces dans un fermenteur classique de même capacité une parfaite The choice of such strains also aims to validate the device, because the two species are morphologically different and therefore identifiable under a microscope, and the distinct 1S growth kinetics can thus be obtained, even if the microorganisms are mixed . We observe, by comparison of the growth and disappearance curves of the substrate represented in FIG. 5, obtained according to the method of the invention, and those represented in FIG. 4 obtained from a mixture of the two species in a fermenter. classic of the same capacity a perfect
similitude desdites courbes.similarity of said curves.
Il ressort donc bien de cette comparaison que la réaction se déroule comme en milieu classique avec deux espèces mélangées du fait de l'homogénéisation des phases liquides des deux réservoirs 1, 2, résultant du It is therefore clear from this comparison that the reaction takes place as in a conventional medium with two species mixed due to the homogenization of the liquid phases of the two reservoirs 1, 2, resulting from the
transfert alternatif au travers du module de filtration. alternative transfer through the filtration module.
La figure 7 représente quant à elle une deuxième application du procédé de l'invention visant à réaliser un bioréacteur industriel FIG. 7 represents a second application of the method of the invention aimed at producing an industrial bioreactor
comprenant une boucle d'échantillonnage stérile. including a sterile sampling loop.
A cet effet, le bioréacteur 17 constitue un des réservoirs et est relié à une chambre d'échantillonnage 18 constituant le deuxième réservoir, To this end, the bioreactor 17 constitutes one of the reservoirs and is connected to a sampling chamber 18 constituting the second reservoir,
par l'intermédiaire d'une conduite de communication 19. via a communication line 19.
12 278139112 2781391
De plus, tel que précédemment, un module de filtration 20 est disposé dans l'un des réservoirs, en l'exemple le bioréacteur 17, dans le In addition, as previously, a filtration module 20 is disposed in one of the tanks, in the example the bioreactor 17, in the
prolongement de la conduite de communication 19. extension of the communication line 19.
En outre, il est également prévu comme précédemment, respectivement deux électrovannes 21, 22 de mise sous pression et deux électrovannes 23, 24 de mise à l'atmosphère, des réservoirs 17, 18 asservies à un boîtier électronique 25 apte à commander les inversions de transfert, et auquel sont reliés à cet effet deux détecteurs de niveaux, respectivement maximal et In addition, there are also provided as above, respectively two solenoid valves 21, 22 for pressurization and two solenoid valves 23, 24 for venting, reservoirs 17, 18 controlled by an electronic unit 25 capable of controlling the inversions of transfer, and to which are connected for this purpose two level detectors, respectively maximum and
minimal, disposés dans la chambre d'échantillonnage 18. minimal, arranged in the sampling chamber 18.
La chambre d'échantillonnage 18 est enfin équipée de sondes telles que 26, 27 et d'un piquage 28 de prélèvement d'échantillons permettant d'assurer un suivi et une surveillance de la réaction dans le bioréacteur 17. Le principe de cet appareil permet, notamment grâce aux transferts de la phase liquide entre le bioréacteur 17 et la chambre d'échantillonnage 18, d'effectuer l'ensemble des mesures et de réintroduire l'excédent d'échantillon dans ledit bioréacteur sans avoir à se soucier des problèmes de stérilité car les membranes fibres creuses du module de filtration sont stérilisantes. De plus, les différents capteurs 26, 27 peuvent être isolés du bioréacteur 17 et, par conséquent, être vérifiés périodiquement et même The sampling chamber 18 is finally equipped with probes such as 26, 27 and a nozzle 28 for sampling to ensure monitoring and surveillance of the reaction in the bioreactor 17. The principle of this device allows , in particular thanks to the transfers of the liquid phase between the bioreactor 17 and the sampling chamber 18, to carry out all of the measurements and to reintroduce the excess of sample into said bioreactor without having to worry about sterility problems because the hollow fiber membranes of the filtration module are sterilizing. In addition, the various sensors 26, 27 can be isolated from the bioreactor 17 and therefore be checked periodically and even
remplacés sans nécessiter d'arrêt de la production. replaced without the need to stop production.
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1998
- 1998-07-27 FR FR9809563A patent/FR2781391B1/en not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
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