Le bioréacteur / fermenteur, cœur du procédé

En termes simples, un bioréacteur est un récipient dans lequel se produisent des procédés biologiques. Les bioréacteurs sont équipés soit d’une commande manuelle simple, soit d’une commande, entièrement automatique par automate. En général, le procédé du bioréacteur est un procédé discontinu. Le temps entre le début et la récolte s’appelle une campagne.

La majorité des bioréacteurs doivent être alimentés en gaz et en nutriments pour permettre la croissance des bactéries, des levures ou des cellules et pour que la synthèse biologique souhaitée puisse avoir lieu. Ces additifs sont généralement ajoutés en continu sur une période allant de quelques jours à plusieurs semaines. Les régulateurs de débit jouent un rôle d’une importance considérable dans le contrôle du procédé des bioréacteurs.

La campagne d’un procédé contenant des cultures cellulaires peut prendre jusqu’à trois ou quatre semaines avant la récolte, alors qu’une campagne avec des cultures bactériennes ne dure souvent que quelques jours.

Mener à bien le procédé de manière stable pendant cette période représente un défi et il est donc très important de doser avec précision les gaz et les nutriments. Les variations de débit ont des conséquences importantes, que ce soit pour les bactéries ou pour les cultures cellulaires. Le dosage de tous les additifs est effectué dans des conditions stériles pour éviter toute contamination par des bactéries indésirables qui pourraient faire concurrence à la culture microbienne ou cellulaire.

En bref, la fiabilité mais surtout la reproductibilité sont des éléments clés dans les procédés du bioréacteur, en particulier en ce qui concerne la régulation des débits.

Vue d'ensemble schématique du procédé de bioréacteur

Vue d'ensemble schématique du procédé de bioréacteur

L'image montre la courbe de croissance idéale d'une culture bactérienne dans un bioréacteur

L'image montre la courbe de croissance idéale d'une culture bactérienne dans un bioréacteur

Aération des bioréacteurs à l’aide de régulateurs de débit massique

Les gaz qui sont couramment utilisés pour aérer les bioréacteurs sont : l’air, l’oxygène (O2), l’azote (N2) et le dioxyde de carbone (CO2). L’azote (N2) sert à étalonner le capteur d’oxygène (pO2) et à réduire la teneur en O2 dans le bioréacteur au début du procédé. Plus le nombre de bactéries ou de cellules est important, plus le besoin d’O2 est grand. Le CO2 sert à réguler l’acidité (pH) dans la phase liquide. Un bioréacteur est généralement régulé en vérifiant la pression partielle d’oxygène pO2 et le pH dans la suspension.

L’absorption d’oxygène et de toutes les autres substances par les cellules se fait dans la phase liquide. L’oxygène doit donc être présent dans le liquide. Pour ce faire, il convient d’ajouter l’oxygène (éventuellement sous forme de composant de l’air) dans les plus petites bulles possibles. Le fait de remuer le liquide permet de répartir et de diffuser l’oxygène ajouté.

L'histoire des bioréacteurs

La recherche et la première production de substances d'origine microbiologique et destinées aux médicaments ont commencé pendant la seconde guerre mondiale, lorsque les avantages du recours à la pénicilline pour soigner les soldats blessés ont été découverts. Il a alors été ainsi trouvé que l’utilisation de bactéries dans les procédés microbiologiques présentait un avantage par rapport à la synthèse chimique plus conventionnelle. Dans les synthèses chimiques, de nombreux composés résiduels sont générés, certains même dans des proportions bien plus importantes que la substance souhaitée elle-même.

En revanche, dans les synthèses biologiques, on observe des rendements beaucoup plus élevés de la substance cible. En outre, cette synthèse offre souvent des méthodes de séparation plus simples. Par ailleurs, les bactéries, tout comme les cellules humaines ou animales, synthétisent des substances spécifiques auxquelles la synthèse chimique conventionnelle ne permet pas d’accéder, ou alors difficilement.
Au cours des 20 dernières années, de puissants procédés d’isolement de souches bactériennes et d’autres méthodes de génie génétique nous ont permis de produire, d’isoler et de multiplier des souches qui font ce pour quoi elles ont été créées : synthétiser des substances cibles de manière spécifique, sélective et efficace. Dans la plupart des cas, ces synthèses sont réalisées dans ce que l’on appelle des bioréacteurs.

Applications des bioréacteurs

Les bioréacteurs se présentent sous différentes tailles et formes qui conviennent à une grande variété d’applications. Cela va des plus petits réacteurs d’une capacité de quelques millilitres aux grands bioréacteurs pouvant atteindre 100 m³. En règle générale, le débit d’oxygène est de 0,1 à 0,15 fois le volume de travail par minute pour les cultures cellulaires et jusqu’à 2 fois pour les cultures bactériennes.

Brassage de la bière

Industrie alimentaire et des boissons

Les bioréacteurs sont utilisés dans la production d'aliments et de boissons à des fins de fermentation.Prenons l'exemple du yaourt. Il s'agit d'un produit issu de la fermentation du lait dans des bioréacteurs. Les cultures de yaourt sont des bactéries lactiques. Ou encore la bière... pour les processus de brassage de la bière, les cellules de levure sont utilisées pour convertir les sucres en alcool. Deux exemples d'applications des bioréacteurs.Les micro-organismes sont déjà utilisés depuis longtemps dans la production alimentaire, mais quelles sont les raisons de l'énorme popularité de la biotechnologie depuis la seconde moitié du 20e siècle ?

Développement et production de médicaments

La biotechnologie joue un rôle de plus en plus important dans le développement et la production de médicaments, ainsi que dans la multiplication des cellules souches. Ces deux domaines sont utilisés pour les traitements médicaux. Le temps de mise sur le marché, la réduction des coûts et la qualité constante des produits sont très importants dans la conception et la production de principes actifs pharmaceutiques. C'est pourquoi la fiabilité des bioréacteurs et la possibilité d'augmenter l'échelle du processus en passant de bioréacteurs de petite taille à des bioréacteurs de grande taille sont très recherchées.

Produits chimiques et plastiques biosourcés

D'autres exemples d'applications biotechnologiques sont les produits chimiques et les plastiques biosourcés. Les chercheurs travaillent sur les plastiques renouvelables, qui sont fabriqués à partir de matériaux organiques à l'aide d'enzymes et de micro-organismes. Il existe déjà des exemples attrayants de plastiques biosourcés, tels que des jouets, des pièces automobiles et des alternatives aux bouteilles en PET.Un exemple spécifique de production biochimique est l'utilisation de microalgues et de la lumière du soleil pour convertir le CO2.

Énergie durable

La transition vers une énergie durable est un autre facteur qui stimule l'utilisation des bioréacteurs. Le biogaz et le biocarburant sous forme de biométhane, de bioéthanol et de biodiesel gagnent en popularité dans notre approvisionnement en énergie domestique, industrielle et de transport. Le gaz ou le carburant est le résultat de la fermentation de matières organiques telles que le fumier, les boues, les déchets organiques, l'herbe, le maïs, la canne à sucre. La cuve de fermentation, maintenue à une température de 38-40°C et agitée, est en fait un bioréacteur.

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