Bioréacteurs et modes de culture : batch, fed-batch et chémostat

Microbiologie & immunologie · Master 1

Cinétique de croissance, transfert d'oxygène et conduite d'une fermentation industrielle.

Introduction

Un bioréacteur est une enceinte contrôlée dans laquelle des microorganismes ou des cellules produisent une biomasse ou un métabolite. Le choix du mode de conduite (batch, fed-batch, continu) dépend de la cinétique de croissance, de la toxicité du substrat et de la stabilité du produit.

Le modèle de Monod décrit la vitesse spécifique de croissance en fonction d'un substrat limitant : μ = μmax·S/(Ks+S). En chémostat, le taux de dilution D fixe μ à l'état stationnaire. Le transfert d'oxygène, caractérisé par le coefficient volumétrique kLa, est souvent limitant dans les cultures aérobies à haute densité.

L'industrie biotechnologique suisse (Bâle, Viège, Lonza, Novartis, Roche) emploie des fermenteurs allant du litre à plusieurs dizaines de mètres cubes, avec des exigences de bonnes pratiques de fabrication (BPF) contrôlées par Swissmedic.

Objectifs d'apprentissage

Appliquer l'équation de Monod
Comparer batch, fed-batch et chémostat
Calculer un rendement et une productivité
Expliquer l'importance de kLa
Discuter les critères de changement d'échelle

Concepts clés

Équation de Monod: μ = μmax·S/(Ks+S), avec Ks la concentration de substrat pour laquelle μ = μmax/2.
Culture discontinue: Le milieu n'est pas renouvelé : phases de latence, exponentielle, stationnaire puis déclin. Simple mais productivité limitée.
Culture alimentée (fed-batch): Un substrat est ajouté progressivement pour éviter l'inhibition par substrat ou l'effet Crabtree, et atteindre de hautes densités cellulaires.
Chémostat: Alimentation et soutirage continus au même débit. À l'état stationnaire, μ = D et la concentration en substrat est fixée par D.
Transfert d'oxygène: Vitesse de transfert = kLa·(C* - CL). kLa dépend de l'agitation, du débit d'air, de la géométrie et de la viscosité.

Conclusion

La conduite d'un bioréacteur repose sur la cinétique de croissance, le transfert de matière et un contrôle rigoureux. La maîtrise de ces notions permet d'optimiser productivité et qualité.

Cartes

Quelle est l'équation de Monod ?: μ = μmax·S/(Ks+S).
Que représente Ks ?: La constante de saturation : concentration en substrat pour laquelle μ = μmax/2.
Quel est le rendement biomasse Yx/s ?: La masse de biomasse formée par masse de substrat consommé (g/g).
Quel est le taux de dilution D dans un chémostat ?: Le rapport débit/volume (F/V) ; à l'état stationnaire μ = D.
Qu'est-ce que le lavage (wash-out) ?: La perte de biomasse lorsque D dépasse μmax.
Pourquoi le fed-batch est-il très utilisé pour E. coli ?: Il limite l'accumulation d'acétate en maintenant un faible taux de glucose et permet une forte densité cellulaire.
Que mesure kLa ?: Le coefficient volumétrique de transfert d'oxygène, en h-1.
Quels paramètres contrôle-t-on dans un bioréacteur ?: Température, pH, oxygène dissous, agitation, aération, antimousse et alimentation.
Quel critère de changement d'échelle est courant ?: kLa constant, puissance par volume constante ou vitesse en bout de pale constante.

Glossaire

Bioréacteur: Enceinte stérile et contrôlée pour la culture de cellules.
μmax: Vitesse spécifique maximale de croissance.
Effet Crabtree: Production d'éthanol par la levure en excès de glucose, même en aérobiose.
OUR: Vitesse de consommation d'oxygène, mesurée par analyse des gaz.
Productivité volumétrique: Quantité de produit formée par volume et par temps.
Stérilisation en place (SIP): Stérilisation par vapeur du réacteur monté.
BPF: Bonnes pratiques de fabrication, exigences pour les médicaments.