1- Préface

 

  - Depuis son existence l’homme cherche à développer des techniques et des

procédés afin d’améliorer son mode de vie dans tous les domaines et suffire à

ses multiples besoins, parmi eux l’alimentation, la plus importante de ces besoins, cette dernière devient de plus en plus critique suite à l’augmentation,

démographique, envahissement des terres agricoles par le béton du  à

l’agrandissement des villes,et la sécheresse qui a touché de nombreuses zones

dans le monde, pour suffire à ses besoins là et ne pas freiner le développement

des villes,l’homme a mis en œuvre des techniques et des procédés dans le domaine tel que l’agroalimentaire  et l’industrie alimentaire,dont le bioréacteur est considéré comme le cœur de nombreuses de ces industries. 
2- Définition :

Un bioréacteur est un appareil destiné  à la culture de micro-organisme (levures, bactéries, champignons, algues, cellule animales et végétales …)

Il doit permettre un contacte aussi bon que possible entre la phase biotique et abiotique du système.

La forme du bioréacteur cherche à optimiser les transferts de matière et de chaleur, il est composer de :

* une cuve en verre.

* un bouchon (pour ne pas laisser passer l’air).

* une seringue (pour injecter une solution).

* un système d’agitation.

* thermomètre.

* pH mètre.

* un système de contrôle par ordinateur permet d’enregistrer les paramètres de      fonctionnement.

 

 

      

 

 

 

 

 

3- Fonctionnement d’un bioréacteur :

-Le bon déroulement du procéder est lié aux phénomène de transfert entre les cellule et le milieu de culture, pour que ces transferts puis s’effectué correctement, la répartition des cellules dans le milieu de culture doit être la meilleur possible, c’est-à-dire en homogénéité pour avoir une croissance microbienne rapide ainsi qu’une formation des produits efficace (yaourt, bière, vaccin, antibiotique, anticorps, vitamine, acide organique) et l’inverse pour l’hétérogénéité C’est-à-dire pas de croissance microbienne de formation des produis.

-L’oxygène joue un rôle important dans le bioréacteur il doit être dissous pour son utilisation par les cellule.

La croissance microbienne est exothermique, le bioréacteur doit faciliter les transferts de chaleur du milieu vers les cellule la répartition homogène des cellule évite tout phénomène de surchauffe.

D’après COONEY&OL (1968) on une proportionnalité entre le dégagement de la chaleur et la consommation d’oxygène qui est 3.44kcal /g et cela nous permet de fixer la capacité d’évacuation de chaleur du bioréacteur.

A la fin de la fermentation, le dégagement gazeux s’arrêt, ce qui nous permet de récupérer les cellule soit par fermentation base (par le bas de la cuve) soit par fermentions haute (par flottation) et cela se passe en fonction du type du microbe et de l’age de la culture.

 

4-Les transferts en fermentation :

 

* Le transfert d’oxygène :

L’oxygène joue un rôle essentiel dans le métabolisme aérobie producteur d’énergie, comme accepteur finale des électrons et des protons produits par les réactions d’oxydation, certaine bactérie comme les closridium ne possèdent pas les enzymes nécessaires à l’ensemble de ce métabolisme .en présence d’oxygène il y a production de H2O2 que par ailleurs  ces bactérie ne peuvent pas  détruire, et qui inhibe leur croissance.

L’oxygène va intervienne  dans les mécanisme de régulation de métabolisme de façon directe, comme inducteur ou répresseur de la synthèse d’enzyme respiratoire, mais de façon indirecte dans le métabolisme énergétique.

Lors ou la croissance microbienne a lieu sur un substrat moins oxydé que la biomasse, l’oxygène joue un rôle de substrat il sert alors à l’édification  des constituants cellulaire comme  dans le cas des glucidique.

Enfin au cours de l’aération des cultures microbienne certain produits du métabolisme tels que le gaz carbonique vont être éliminé de la culture grâce à un phénomène d’entraînement, la quantité totale de CO2  produite au cours du processus microbienne n’est pas répartie uniformément tout au long de son déroulement, le cœfficient varie selon leur type de métabolisme (aérobie ou anaérobie), l’age et l’état physiologique de la culture.

Le besoin en oxygène des cultures microbiennes  est en fait également réparti dans le temps tout au long du déroulement de la fermentation.

                            

                              Latence    exponentielle          stationnaire              déclin

___ Croissance microbienne

___ Substrat

___Croissance de l’oxygène

                                

 Le Qo2 varie bien sur d’un micro-organisme donné, en fonction de son age et de son état  physicochimique, il est minimal au cour de la phase de latence, puis augmente progressivement durant la phase de départ pour attendre sa valeur maximal au début de la phase logarithmique de croissance, il conserve cette valeur maximale tout au long de cette phase, puis décroît progressivement pour redevenir minimale en phase en phase stationnaire         

Cette demande en oxygène de la culture microbienne doit être satisfaite par le transfère de la phase gazeuse introduite dans la culture vert les sites d’utilisation dans les cellules .agissant comme substrat .l’oxygène obéit à la loi établie par Monod liant le taux de croissance à la concentration on peut donc écrire :

                  

                                   U  = Um. (O2 /Ko2 +O2)

U : taux de croissance

Umax : taux de croissance maximal

O2 : concentration en oxygène

Ko2 : constante d’affinité

 

Pour que l’oxygène soit bien consommé il doit être bien dissous dans la phase liquide soit pour facilité le transfert de L’O2  n’a la phase gazeuse et liquide vert la cellule être consommé enfin.

Le transfert d’oxygène de la bulle gazeuse vert les sites de son utilisateur dans les cellules comporte plusieurs étapes représente un transfert unidirectionnel, l’oxygène dissous diffuse alors vert les cellules il va être pénétrer dans la cellule, après il va diffuser dans le cytoplasme et traverse les parois mitochondriale.

Etape 1 : consiste à ce que l’O2 soit dans la bulle gazeuse double film gazeux.

Etape 2 : consiste à ce que l’O2 soit dans la phase liquide cela se passe en pénétrant le double film gazeux.

Etape 3 : transfert de l’O2 du film liquide jusqu à la cellule.

Etape 4 : consiste à ce que l’O2 pénètre à nouveau le film liquide qui en tourne la cellule.

Etape 5 : transfert entre le film liquide vert la cellule.

                                  

                                                  Les étapes de transfert d’O2

 

 

 

                            dCL /dt =KG.a(p-p*) =KL.a(C*-CL)

 

 dCL : vitesse de transfert  

 KG: coefficient globale de transfert de masse /film gazeuse

 KL: coefficient globale de transfert de masse /film liquide

 a :  surface spécifique d’échange

 p* : pression partielle d’oxygène 

 C* : concentration en oxygène dissous

 

 * Mesure de KL.a :

La mesure de KL à un bioréacteur permet d’évaluer ses capacités à transférer l’oxygène, on dispose de plusieurs méthodes pour cela :

  Méthode de sulfite : l’évaluation de la capacité de transfert du dispositif est ramenée é celle de la vitesse d’oxydation d’une solution de sulfite de sodium en sulfate, placée dans le bioréacteur et soumise aux condition d’aération agitation  dans lesquelles on veut évaluer le KL.a.

Méthode du glucose oxydase : le principe de cette méthode consiste à suivre l’oxydation du glucose oxydase.  

Méthode microbiologique : il est possible d’évaluer le  KL .a en mesurant le taux de croissance d’un micro-organisme très avide d’oxygène cultivé dans des conditions telles que l’oxygène dissous soit le seul facteur limitant, le taux de croissance est alors proportionnel à la concentration en oxygène dissous, cette méthode est en fait très peu utilisée.

Méthode par sonde : les sondes polarographies et les sondes galvanique, grâce au signal qu’elles fournissent,il est possible de mesuré et d’enregistrer,en continu,la concentration en oxygène dissous,ou plus exactement la tension en oxygène. 

 

 * L’agitation de bioréacteur :

 L’agitation de bioréacteur qui accélère le contacte entre deux ou plusieurs phases, en fermentation la phase support est le plus souvent constituée par le milieu de culture.

L’agitation a pour but de mélanger à cette phase support plusieurs phases d’abord, une phase solide constituée par les cellules microbiennes, l’opération de mélange consiste à réaliser une suspension, qui doit être la plus homogène possible, une phase gazeuse constituée du gaz d’oxygénation pour les procédé aérobie, l’opération de mélange dans ce cas est une émulsion et une phase liquide constituée par les réactifs que l’on ajoute au cours de la fermentation.

 

- Les différents types d’agitation :   

Les cultures microbiennes aérobies exigent l’introduction d’un gaz d’oxygénation dans le bioréacteur, l’agitation est alors à la seule injection de gaz comprimé.

L’agitation mécanique réalisent l’opération de mélange qui sert à diviser les bulles de gaz introduites dans le bioréacteur, et l’on faisant circuler dans le liquide.

 

- Les agitateurs rotatifs :

La plupart des agitateurs utiliser en fermentation est rotatifs (de 1à6 litre) et de production (de 20à4000litres) équipé d’un mécanisme d’agitation par vibration (vibro-fermenteurs), il est également bien adapté à l’homogénéisation des cultures de micro-organisme anaérobie et microaérophile (bactérie lactique)

Mais généralement, l’agitation est provoquée par une pièce (mobile d’agitation) entraînée dans un mouvement de rotation, placé dans récipient.

L’intensité de l’agitation est liée à la puissance dispersée dont l’expression générale est :

                    P = Q.H.p.g           

 

 P : puissance consommée

 Q : débit du mobile d’agitation

 H : hauteur manométrique

 P : masse volumique

 g : accélération de la pesanteur

-On peut déduire la puissance volumique en divisant P par le volume de fluide à agiter (P /V). 

           

                                         

                                                 

 

 Différente mobiles d’agitation :

Mobiles d’agitation à débit radial :

 

Mobiles d’agitation à débit axial :

 

Mobiles d’agitation à débit radial et axial :

 

6-Mode de conduite des bioréacteur :

 

* Fermentations discontinue par charge (Batch) :

 Le premier mode de conduite consiste à effectuer une fermentation discontinue, on l’utilise dans le cas de faible volumes ; après avoir rempli le fermenteur de milieu de culture et l’avoir stérilisé, ou bien après avoir stérilisé  le fermenteur  vide et l’avoir rempli de milieu de culture stérilisé a part, on introduit l’inoculum et on laisse se dérouler la fermentation.

La concentration en biomasse présente augmente selon la courbe de croissance microbienne dans le même temps, le substrat (S) est consommé et le produit recherché apparaît, sa concentration (p) augmente.

Ajouté au temps nécessaire pour préparer le fermenteur (vidange, nettoyage, remplissage et stérilisation), cela permet d’évaluer la productivité du procédé de fermenteur.

                     

 

  ___substrat

  ___ Croissance de micro-organisme

 

* Fermentations discontinue (fed batch) :

 On ajoute toujours un substrat au milieu pour prolonger la croissance, dans ces conditions, le volume de milieu en fermentation dans la cuve augmente, ainsi que la quantité totale de biomasse et on observe aussi augmentation du produit (P) dans la phase exponentielle.

Ce mode de conduite est très utilisé en pratique, il permet de  gagner du temps et de ce fait d’améliorer la productivité de la cuve de fermentation.

 

                     

                      

  ___ Substrat

  ___ Croissance de micro-organisme.

 

 * Fermentations continué :

Dans ce cas le fermenteur va fonctionner sous des conditions par l’addition continue de substrat et en même temps en retire le produit ; il y a une phase stationnaire qu’on le (Vmax) croise la concentration de croissance microbienne dans le graphe, en retire le produit.

                         

  ___ Substrat

  ___ Croissance de micro-organisme.

 

* Fermentations continué avec recyclage de la biomasse :

Dans ces conditions de fonctionnement, la concentration en substrat dans la cuve est égale à la concentration an substrat dans l’alimentation ; bien que la vitesse spécifique de croissance microbienne soit la plus élevée possible, la concentration en biomasse dans la cuve est nulle, d’où l’intérêt de recycler la biomasse pour pouvoir augmenter le taux de dilution au-delà de la limite biologiquement possible.

 

6- Les différents types de bioréacteurs :

 

* Bioréacteur avec agitation mécanique :

C’est un bioréacteur classique de 100m3 porte une cuve cylindrique munie en haut et en bas de deux calotte sphérique, la partie cylindrique mesure 7m de haut et de 4.2m de diamètre elle est munie d’une agitation introduite par le haut de la cuve, munie de deux dispositifs de guidage, de trois turbines d’agitation et d’un mobile supérieure destiné à la réduction des mousse.

Ce type de bioréacteur convient bien à la production d’antibiotique ;il s’agit de processus,généralement peu exothermique,utilisant des micro-organismes filamenteux (bactéries,moisissures) relativement fragiles et sensible aux action de cisaillement,la vitesse de rotation de l’agitateur est d’environ 50 à 60 tours par minute.

                                 

                                Bioréacteur avec agitation mécanique   

 

* Bioréacteur avec agitation pneumatique (air-lift) : 

 Sans circulation : les colonnes à bulles

Dans le cas de processus microbiologique ne nécessitent pas un transfert d’oxygène important, on utilise des colonnes à bulles, il s’agit de cuves dont la hauteur est très supérieur au diamètre, de façon a augmenter le temps de séjour moyen des bulles de gaz émises à la partie inférieur par une couronne percée de trous.

Avec circulation :bioréacteur à boucle :

 

Circulation interne : 

La firme britannique ICI (imperial chemical industrie) a mis au point un bioréacteur air-lift a circulation interne pour la production de biomasse bactérienne sur substrat à basse de méthanol.

C’est un bioréacteur d’une très grande capacité (3000m), il est composé  d’une partie cylindrique d’environ 45m de haut et 7m de diamètre dans laquelle est installé un cylindre de diamètre plus faible 6,6m avec des plateaux horizontaux perforés ; la hauteur totale du bioréacteur atteint 60m le procédé, exigeant en oxygène, dégage une quantité de chaleur importante évacuée par un système réfrigérant situé à la basse du bioréacteur le procédé fonctionne en continu.

 

 

                            

 

 

Circulation externe :

Ce bioréacteur a une hauteur d’environ 30m dans la colonne montante, a lieu la principale phase d’oxygénation, l’air est introduit par un tuyau perforé ;à la partie supérieure,elle communique avec une canalisation horizontale munie d’une ouverture permettant la sortie du gaz effluent,à l’entrée du compartiment descendant une réinjection d’air est faite,elle provoque une augmentation