L'art de la conception de bioréacteurs : Un guide complet

Les bioréacteurs, également connus sous le nom de fermenteurs, sont au cœur de nombreux bioprocédés, fournissant un environnement contrôlé pour que les réactions biologiques puissent se produire. Leur conception est un art multidisciplinaire, mêlant les principes de l'ingénierie chimique, de la microbiologie, de la biochimie et de l'ingénierie mécanique. Ce guide vise à fournir un aperçu complet des considérations relatives à la conception des bioréacteurs, répondant aux besoins d'un public mondial impliqué dans l'ingénierie des bioprocédés, des étudiants aux professionnels expérimentés.

Principes fondamentaux de la conception de bioréacteurs

À la base, la conception d'un bioréacteur consiste à créer un environnement qui soutient de manière optimale la croissance et l'activité métabolique des micro-organismes ou des cellules. Cela nécessite un examen attentif de plusieurs facteurs clés :

• Mélange : Assurer l'homogénéité des nutriments, de la température et du pH dans tout le réacteur.
• Aération : Fournir suffisamment d'oxygène pour les organismes aérobies tout en éliminant le dioxyde de carbone.
• Contrôle de la température : Maintenir la température optimale pour la réaction biologique.
• Contrôle du pH : Réguler le pH pour prévenir l'inhibition ou les dommages cellulaires.
• Stérilité : Prévenir la contamination par des micro-organismes indésirables.

Composants de base d'un bioréacteur

Un bioréacteur typique se compose des éléments suivants :

• Cuve : Le récipient qui contient la culture. Les matériaux couramment utilisés comprennent l'acier inoxydable, le verre et les plastiques à usage unique.
• Système d'agitation : Une turbine ou un agitateur pour mélanger le contenu du réacteur.
• Système d'aération : Un diffuseur (sparger) pour introduire de l'air ou de l'oxygène dans la culture.
• Système de contrôle de la température : Une double enveloppe ou des serpentins internes pour maintenir la température souhaitée.
• Système de contrôle du pH : Des capteurs et des pompes pour ajouter de l'acide ou une base afin de maintenir le pH désiré.
• Capteurs et système de contrôle : Surveillance et contrôle des paramètres clés tels que la température, le pH, l'oxygène dissous (OD) et la concentration de biomasse.
• Système d'échantillonnage : Un moyen de prélever des échantillons pour analyse.

Types de bioréacteurs

Les bioréacteurs se présentent sous diverses formes, chacune adaptée à des applications et des organismes différents. Voici quelques-uns des types les plus courants :

Bioréacteurs à cuve agitée (STRs)

Les bioréacteurs à cuve agitée sont le type le plus largement utilisé. Ils se composent d'une cuve cylindrique avec une turbine qui assure le mélange. Les STRs sont polyvalents et peuvent être utilisés pour un large éventail d'applications, de la fermentation microbienne à la culture de cellules de mammifères.

Avantages :

• Environnement bien mélangé
• Bon contrôle de la température
• Relativement facile à mettre à l'échelle

Inconvénients :

• Le stress de cisaillement élevé peut endommager les cellules sensibles
• Peut être difficile à nettoyer et à stériliser

Bioréacteurs airlift

Les bioréacteurs airlift utilisent l'air pour mélanger et aérer la culture. Ils sont particulièrement bien adaptés aux cellules sensibles au cisaillement, car ils n'ont pas de turbines mécaniques.

Avantages :

• Faible stress de cisaillement
• Conception simple
• Idéal pour les cellules sensibles au cisaillement

Inconvénients :

• Mélange moins efficace que les STRs
• Difficile à mettre à l'échelle

Bioréacteurs à colonne à bulles

Les bioréacteurs à colonne à bulles sont similaires aux bioréacteurs airlift, mais ils n'ont pas de tube de tirage interne. L'air est injecté directement au fond de la colonne, assurant le mélange et l'aération.

Avantages :

• Conception simple
• Faible coût

Inconvénients :

• Mauvais mélange
• Difficile à contrôler

Bioréacteurs à lit fixe

Les bioréacteurs à lit fixe contiennent une matrice solide, telle que des billes ou des fibres, qui fournit une surface à laquelle les cellules peuvent s'attacher. Les nutriments circulent à travers le lit, fournissant aux cellules les ressources dont elles ont besoin pour croître.

Avantages :

• Haute densité cellulaire
• Idéal pour les cellules immobilisées

Inconvénients :

• Difficile à mettre à l'échelle
• Peut être sujet au colmatage

Bioréacteurs à lit fluidisé

Les bioréacteurs à lit fluidisé sont similaires aux bioréacteurs à lit fixe, mais la matrice solide est en suspension dans un courant de fluide. Cela permet un meilleur mélange et transfert de masse.

Avantages :

• Bon mélange et transfert de masse
• Haute densité cellulaire

Inconvénients :

• Conception complexe
• Peut être difficile à contrôler

Photobioréacteurs

Les photobioréacteurs sont conçus pour cultiver des organismes photosynthétiques, tels que les algues et les cyanobactéries. Ils sont généralement transparents pour permettre à la lumière de pénétrer dans la culture.

Avantages :

• Utilisation efficace de la lumière
• Environnement contrôlé

Inconvénients :

• Coût élevé
• Difficile à mettre à l'échelle

Bioréacteurs à usage unique (SUBs)

Les bioréacteurs à usage unique sont des bioréacteurs jetables et pré-stérilisés qui éliminent le besoin de nettoyage et de stérilisation. Ils sont de plus en plus populaires dans la fabrication biopharmaceutique.

Avantages :

• Coûts de nettoyage et de stérilisation réduits
• Risque de contamination réduit
• Temps de rotation plus rapide

Inconvénients :

• Coût par lot plus élevé
• Préoccupations environnementales liées aux déchets plastiques

Considérations clés pour la conception

Plusieurs facteurs doivent être pris en compte lors de la conception d'un bioréacteur. Ceux-ci incluent :

Type de cellule

Le type de cellule cultivée aura un impact significatif sur la conception du bioréacteur. Par exemple, les cellules de mammifères sensibles au cisaillement nécessitent des conceptions de bioréacteurs différentes de celles des bactéries robustes.

• Fermentation microbienne : Nécessite généralement une aération et un mélange élevés pour soutenir une croissance rapide. Les STRs sont souvent adaptés.
• Culture de cellules de mammifères : Nécessite un mélange et une aération plus doux pour éviter d'endommager les cellules. Les bioréacteurs airlift ou les STRs modifiés avec des turbines à faible cisaillement sont préférés.
• Culture de cellules végétales : Nécessite des formulations de nutriments spécifiques et peut bénéficier de conceptions de bioréacteurs spécialisées comme les bioréacteurs à brouillard (mist).
• Culture d'algues : Nécessite une pénétration de la lumière et un apport efficace de CO2. Les photobioréacteurs sont spécifiquement conçus à cet effet.

Échelle de l'opération

L'échelle de l'opération affectera également la conception du bioréacteur. Les bioréacteurs à petite échelle peuvent être simples et peu coûteux, tandis que les bioréacteurs à grande échelle nécessitent une ingénierie plus sophistiquée.

Mélange et aération

Un mélange et une aération efficaces sont cruciaux pour la performance du bioréacteur. Le mélange garantit que les nutriments sont répartis de manière homogène dans toute la culture, tandis que l'aération fournit l'oxygène nécessaire à la croissance cellulaire.

Stratégies de mélange :

• Conception de la turbine : Les turbines Rushton, les turbines à pales inclinées et les hélices marines sont couramment utilisées. Le choix dépend de la viscosité de la culture et de l'intensité de mélange souhaitée.
• Conception des chicanes : Les chicanes (baffles) sont utilisées pour empêcher la formation de vortex et améliorer l'efficacité du mélange.
• Vitesse de mélange : La vitesse de mélange doit être optimisée pour fournir un mélange adéquat sans causer un stress de cisaillement excessif.

Stratégies d'aération :

• Conception du diffuseur : Les diffuseurs (spargers) introduisent de l'air ou de l'oxygène dans la culture. Différentes conceptions de diffuseurs, telles que les diffuseurs poreux ou les diffuseurs à buse, peuvent être utilisées pour créer différentes tailles de bulles.
• Débit de gaz : Le débit de gaz doit être optimisé pour fournir suffisamment d'oxygène sans entraîner les composés volatils.
• Enrichissement en oxygène : Dans certains cas, il peut être nécessaire d'enrichir l'air en oxygène pour répondre à la demande en oxygène des cellules.

Contrôle de la température et du pH

Le maintien d'une température et d'un pH optimaux est essentiel pour la croissance cellulaire et la formation de produits. La température est généralement contrôlée à l'aide d'une double enveloppe ou de serpentins internes, tandis que le pH est contrôlé en ajoutant de l'acide ou une base.

Systèmes de contrôle de la température :

• Doubles enveloppes de chauffage et de refroidissement : Font circuler de l'eau chauffée ou refroidie autour de la cuve du bioréacteur.
• Serpentins internes : Fournissent un transfert de chaleur plus efficace que les doubles enveloppes.
• Contrôleurs PID : Utilisés pour ajuster automatiquement la température en fonction des informations d'un capteur de température.

Systèmes de contrôle du pH :

• Capteurs de pH : Mesurent le pH de la culture.
• Pompes d'acide et de base : Ajoutent de l'acide ou une base pour ajuster le pH.
• Contrôleurs PID : Utilisés pour ajuster automatiquement l'ajout d'acide et de base en fonction des informations d'un capteur de pH.

Stérilisation

La stérilisation est cruciale pour prévenir la contamination. Les bioréacteurs sont généralement stérilisés par autoclavage ou en utilisant des stérilisants chimiques.

Méthodes de stérilisation :

• Autoclavage : Utilisation de vapeur à haute pression pour tuer les micro-organismes.
• Stérilisation chimique : Utilisation de stérilisants chimiques, tels que le peroxyde d'hydrogène ou l'acide peracétique.
• Filtration : Utilisation de filtres pour éliminer les micro-organismes des liquides et des gaz.

Suivi et contrôle des procédés

Des stratégies avancées de suivi et de contrôle des procédés sont vitales pour optimiser les performances des bioréacteurs et garantir la qualité des produits. Ces stratégies impliquent l'utilisation de capteurs, de logiciels et d'algorithmes de contrôle pour surveiller et ajuster les paramètres clés du procédé en temps réel.

Paramètres clés à surveiller :

• Température
• pH
• Oxygène dissous (OD)
• Concentration de biomasse
• Concentrations de nutriments
• Concentration du produit
• Analyse des gaz d'échappement (CO2, O2)

Stratégies de contrôle :

• Contrôle par rétroaction (Feedback) : Ajustement des paramètres du procédé en fonction des informations des capteurs.
• Contrôle prédictif (Feedforward) : Ajustement des paramètres du procédé en fonction des changements prévus dans le système.
• Contrôle prédictif par modèle (MPC) : Utilisation de modèles mathématiques pour prédire le comportement futur du système et optimiser les actions de contrôle.

Considérations sur la mise à l'échelle

La mise à l'échelle d'un bioprocédé de l'échelle du laboratoire à l'échelle industrielle peut être difficile. Il est important de maintenir des conditions similaires dans le bioréacteur à grande échelle et dans le bioréacteur à petite échelle.

Stratégies de mise à l'échelle :

• Similarité géométrique : Maintenir les mêmes proportions dans le bioréacteur à grande échelle que dans le bioréacteur à petite échelle.
• Puissance d'entrée par volume constante : Maintenir la même puissance d'entrée par volume dans le bioréacteur à grande échelle que dans le bioréacteur à petite échelle.
• Vitesse de pointe de la turbine constante : Maintenir la même vitesse de pointe de la turbine dans le bioréacteur à grande échelle que dans le bioréacteur à petite échelle.
• Mécanique des fluides numérique (CFD) : Utilisation de la CFD pour modéliser les schémas d'écoulement dans le bioréacteur et optimiser la conception.

Tendances émergentes dans la conception de bioréacteurs

Le domaine de la conception de bioréacteurs est en constante évolution, avec de nouvelles technologies et approches développées pour améliorer les performances des bioprocédés. Parmi les tendances émergentes, on trouve :

Bioprocédés en continu

Le bioprocédé en continu implique l'alimentation continue en nutriments et le retrait continu du produit du bioréacteur. Cela peut entraîner une productivité plus élevée et des coûts plus faibles par rapport au traitement par lots.

Intensification des procédés

L'intensification des procédés consiste à développer des bioprocédés plus compacts et plus efficaces. Cela peut être réalisé grâce à l'utilisation de conceptions de bioréacteurs novatrices, telles que les microréacteurs et les bioréacteurs à membrane.

Automatisation des bioréacteurs

L'automatisation des bioréacteurs implique l'utilisation de robots et d'autres systèmes automatisés pour contrôler et surveiller le bioréacteur. Cela peut améliorer la reproductibilité et réduire les coûts de main-d'œuvre.

Analyse de données et apprentissage automatique

L'analyse de données et l'apprentissage automatique (machine learning) sont utilisés pour analyser les données des bioréacteurs et optimiser les performances des procédés. Cela peut conduire à une meilleure qualité des produits et à des rendements plus élevés.

Conception de bioréacteurs pour des applications spécifiques : Exemples mondiaux

La conception de bioréacteurs n'est pas une approche universelle. Des applications spécifiques exigent des conceptions sur mesure. Voici quelques exemples illustrant l'innovation mondiale :

• Production de biosimilaires (Inde) : Les entreprises biopharmaceutiques indiennes investissent massivement dans des STRs en acier inoxydable à grande échelle dotés de systèmes de contrôle avancés pour produire des biosimilaires abordables pour le marché mondial. La conception met l'accent sur la rentabilité et le respect des exigences réglementaires strictes.
• Biocarburant à base d'algues (Australie) : Les instituts de recherche australiens sont pionniers dans l'utilisation de bassins ouverts et de photobioréacteurs fermés pour la culture d'algues afin de produire des biocarburants. Les conceptions visent à maximiser la capture de la lumière solaire, l'utilisation du CO2 et la production de lipides.
• Viande à base de cellules (Pays-Bas) : Les entreprises néerlandaises sont à la pointe du développement de bioréacteurs pour la production de viande de culture. Ces bioréacteurs, souvent des systèmes basés sur la perfusion, doivent soutenir efficacement une culture de cellules de mammifères à haute densité tout en minimisant les coûts et en garantissant la sécurité du produit.
• Production d'antibiotiques (Chine) : La Chine est un producteur majeur d'antibiotiques. De nombreux fabricants utilisent des procédés de fermentation à grande échelle dans des STRs pour produire ces médicaments vitaux. L'optimisation de ces bioréacteurs se concentre sur la maximisation du titre d'antibiotique et la minimisation de la formation de sous-produits.
• Production d'anticorps monoclonaux (Suisse) : Les géants pharmaceutiques suisses sont des leaders dans la production d'anticorps monoclonaux par culture de cellules de mammifères. Leurs bioréacteurs sont généralement des systèmes avancés à usage unique avec des systèmes de contrôle sophistiqués et des niveaux élevés d'automatisation pour garantir la cohérence et la qualité du produit.

Conclusion

La conception de bioréacteurs est un domaine complexe et exigeant, mais elle est également essentielle pour de nombreuses industries importantes, notamment les produits biopharmaceutiques, l'alimentation et les boissons, et les biocarburants. En comprenant les principes fondamentaux de la conception de bioréacteurs et en se tenant au courant des dernières tendances, les ingénieurs et les scientifiques peuvent développer des bioréacteurs plus efficaces, fiables et rentables.

Ce guide a fourni un large aperçu de l'art de la conception de bioréacteurs. Une exploration plus approfondie des types de bioréacteurs spécifiques, des stratégies de contrôle et des méthodologies de mise à l'échelle est recommandée pour ceux qui recherchent une compréhension plus profonde de ce domaine critique.