Université M’Hamed Bougara Boumerdes Exposé : Bioréacteur Réalisé par : Bouzid Imene Définition de bioréacteur : Un bioréacteur est une enceinte permettant d'assurer le développement des micro-organismes en aérobiose (présence d‘oxygène) ou en anaérobiose (absence d‘oxygène) et la production de biomasse et /ou de molécules d’intérêts. A quoi sert un bioréacteur : Un bioréacteur (ou fermenteur) permet de contrôler par ordinateur les conditions de vie des micro-organismes. Il permet également de recycler des déchets en produits à haute valeur ajoutée (biogaz, biocarburants...) via des microorganismes. Celui-ci permet aussi la production de médicaments ou encore d’hormones telles que l'insuline. (http://www.iutlarochelle.fr/sites/iutlarochelle/files/fichiers/diaporama_sur_bioreacteur_projet _tutore_genie_bio_iut_la_rochelle.pdf) Domaines utilisation du bioréacteur : Domaine médicale : _Antibiotique comme la pénicilline _Anti-inflammatoire ._Hormones Domaine agro-alimentaire : _Brassicole .laitière Domaine cosmétique : _Gomme au xanthane _Acide hyaluronique Domaine d’énergie renouvelable : _Biogaz _Biocarburants (http://www.iut-larochelle.fr/sites/iutlarochelle/files/fichiers/diaporama_sur_bioreacteur_projet_tutore_genie_bio_iut_la_rochelle.p df) Description : Un bioréacteur comporte : _Une cuve ou enceinte en verre (pour les modèles de laboratoire) ou en acier inoxydable _Un bouchon si nécessaire pour ne pas laisser passer l'air du milieu intérieur et celui du milieu extérieur _Une seringue avec cathéter pour injecter une solution _ Un système d'agitation comportant une ou plusieurs turbines selon leur taille _ Des capteurs pour la mesure de la température (thermomètre), du pH (pH-mètre), de la concentration en oxygène dissous (sonde oxymétrique), du niveau… _ Un système de contrôle-commande géré par ordinateur permettant d'enregistrer et piloter tous les paramètres de fonctionnement. _les bioréacteurs permettent la fabrication de nombreux produits Mode de conduite des bioréacteurs Il existe différents modes de conduite pour alimenter et soutirer du milieu de culture aux bioréacteurs, aussi bien traditionnels que jetables. Tous ces modes peuvent être utilisés selon le type de bioréacteur jetable. Mode d’alimentation par batch : La cuve est remplie par le milieu de culture stérilisé, puis l’inoculum. La fermentation se déroule ensuite sans addition supplémentaire de milieu. Le volume reste constant et la productivité est relativement faible. En fin de fermentation, le fermenteur est vidé et son contenu est remplacé (Carmaux, 2008). Mode d’alimentation par Fed batch : La croissance démarre plus vite étant donné que le volume de culture peut être réduit. La concentration obtenue peut alors être plus élevée qu’en mode batch. Quand la croissance est en phase stationnaire, du milieu de culture stérile est ajouté. Le volume dans la cuve augmente alors au cours du temps. Le débit est réglé de façon que la concentration en substrat soit constante dans la cuve et que l’effet de dilution ne soit pas inhibiteur de la production de biomasse. Lorsque la cuve est remplie, l’alimentation est coupée : la conduite est alors en mode discontinu. Le fed batch permet en pratique un gain de temps, une augmentation de productivité et une possibilité de modification du milieu en cours de culture (Carmaux, 2008). Mais le risque de contamination est élevé (Eibl et Eibl, 2009). Mode d’alimentation continu : Continu infiniment mélangé : L’ajout de milieu stérile et le soutirage commencent quand les cellules entrent en phase stationnaire de croissance. La suspension est homogène en tout point de la cuve. L’alimentation et le soutirage se fait au même débit lorsqu’une certaine concentration cellulaire est atteinte dans la cuve. Il n’est pas nécessaire en théorie de vider la cuve. Cependant, des mutations et des contaminations obligent leur vidange. La productivité est beaucoup plus importante qu’en mode discontinu (Carmaux, 2008). Gradient de concentration La fermentation se déroule dans un réacteur tubulaire, dans lequel le milieu de culture se déplace en même temps que la fermentation se déroule. Chaque unité de volume correspond à une phase d’avancement de la réaction (Carmaux, 2008). Recyclage de la biomasse Le milieu de culture est prélevé appauvri en cellules. Ces dernières ne sont pas prélevées et restent à l’intérieur du fermenteur. Ce système est également appelé perfusion avec recyclage des cellules (Carmaux, 2008). Le principe de perfusion peut être utilisé pour des volumes effectifs de milieu allant de 25 à 500 L sans avoir d'effet négatif sur la croissance cellulaire ou la production de protéines. Le système de perfusion donne la possibilité de cultiver des cellules spécifiques à un patient avec une forte densité. Cette technologie est déjà utilisée pour la production de glycoprotéines, de virus et de vaccins (Brecht, 2010). Bioréacteur à membranes Ce procédé est appliqué à grande échelle principalement pour le traitement des eaux usées (Guo-min et al. 2004 ; Aileen et Albert, 2007 ; Stricot, M., 2008 ; Barrios-Martinez, A., 2006). Types de bioréacteurs : Il existe deux grandes familles de réacteur : Les cultures libres Les cultures fixées Culture libre / boues activées La culture bactérienne est maintenue dans un bassin aéré et brassé sans support. Ce brassage est indispensable pour homogénéiser le mélange et éviter les dépôts. L’amas des microorganisme en suspension est appelé ‘‘boue activée’’. Dans cette même famille, on trouve deux sous-famille : Réacteur à boues activées simple SBR (Séquencing Batch Reactor) soit le Réacteur Biologique Séquencel Surface d'un bioréacteur en phase d'oxygénation - Culture libre Simple Une Micro-station est dite ‘‘simple’’ lorsque sont bioréacteur ne contient aucun lit fixé et à une unique utilisation en tant que Bio-réacteur. L’avantage : Entretien simplifié avec un accès aisé du système d’aération L’inconvénient : sensible aux variations de débit des effluents. SBR - Réacteur Biologique Séquencel Le principe du SBR compile l'utilisation du volume tampon dans le décanteur et l’utilisation d’un seul bassin pour le traitement mais aussi pour la phase de clarification en alternant l’étape d’oxygénation (Bio-réaction) et une étape de repos (Clarification). Ainsi un gain de place peut être réalisé. Les avantages : performance des dispositifs gain sur le volume de la Micro-station effets atténués des variations de débits d’eaux usées entretien simplifié avec un accès aisé aux diffuseurs Culture fixée / lit fixé Une Micro-station est dite à culture fixée quand elle contient au sein de son bio-réacteur des supports solides où les micro-organismes viendront se nicher. La strate de micro-organismes fixé sur le support est appelé le ''Bio-film''. Le support a deux rôles : celui de retenir les micro-organismes dans le bioréacteur et celui de retenir les bulles d’air et les polluants nécessaires au développement des micro-organismes. Ainsi le temps de contact entre l'oxygène contenu dans l'air expulsé dans le bioréacteur et les micro-organismes est optimisé. Dans cette même famille, on trouve trois sous-familles : MBBR (Moving Bed BioReacteur) soit le Bioréacteur à lit mobile SAFF (Submerged Aerated Fixed Film) soit le Film Fixé aéré submerge RBC (Rotating Biological Contactor) soit le Réacteur Biologique Rotatif MBBR - Bioréacteur à lit mobile : Dans la technologie du Bioréacteur MBBR, le bio-film est protégé à l'intérieur de nombreux petits supports mobiles conçus avec une surface interne élevé. Ces supports sont dimensionnés pour rester en suspension. Lit mobile en phase d'oxygénation SAFF - Film Fixé aéré submerge: Le réacteur avec la technologie SAFF utilise un support qui est immergé et reste fixé à la structure qui le contient. Les avantages : volume du bioréacteur réduit performance des dispositifs effets atténués des variations de débits d’eaux usées Les inconvénients : entretien délicat dû à l'accessibilité des diffuseurs d'air sous le lit fixé et du nettoyage ou changement du support le sous-dimensionnement peut provoquer un colmatage du bioréacteur RBC - Réacteur Biologique Rotatif : Le support bactérien est sur un lit fixé en mouvement. Ce lit est sous forme de disques partiellement immergés et équipés d'un axe de rotation en leur centre. La rotation est faite par l'intermédiaire d’un moteur électrique. La rotation permet aux micro-organismes d’être successivement immergés dans les eaux à traiter, et ensuite, exposés à l’oxygène atmosphérique, permettant ainsi de réunir les conditions nécessaire à leur développement. La transmission peut réalisée par une courroie ou une chaîne ; l'existence d’un moteur entraîne une consommation électrique et des risques de panne. L’avantage : volume du bioréacteur réduit efficacité importante Les inconvénients : remplacement ou réparation importante conséquences importante d’un mouvement de terrain naturel ou d’une pose du dispositif de traitement non .pièces en mouvement, leur rotor doivent être parfaitement verticaux, sans quoi, les roulements devront être optimisée. (https://micro-station.mon-assainissement.fr/bioreacteur_microstation_assainissement.html) Partie bibliographique : Référence : _(https://micro-station.mon-assainissement.fr/bioreacteur_microstation_assainissement.html) _(Guo-min et al., 2004 ; Aileen et Albert, 2007 ; Stricot, M., 2008 ; Barrios-Martinez, A., 2006). _(William L. Hochfeld, Producing Biomolecular Substances with Fermenters, Bioreactors, and Biomolecular Synthesizers, Boca Raton, FL, Taylor & Francis, 2005) _( Carmaux, Sandra, Caractérisation de la mort des cellules animales cultivées en bioréacteur, thèse, Univ. de Lorraine, 2008) _(http://www.iutlarochelle.fr/sites/iutlarochelle/files/fichiers/diaporama_sur_bioreacteur_proj et_tutore_genie_bio_iut_la_rochelle.pdf)
