Qu’est-ce que les bioréacteurs et les fermenteurs ?
Les bioréacteurs et les fermenteurs sont des systèmes de culture permettant de produire des cellules ou des organismes. Ils sont utilisés dans diverses applications, notamment la recherche fondamentale et le développement, ainsi que la fabrication de produits biopharmaceutiques, alimentaires et additifs alimentaires, produits chimiques et autres produits.
Une large gamme de types cellulaires et d’organismes peut être cultivée dans les bioréacteurs et les fermenteurs, y compris des cellules (comme les lignées cellulaires de mammifères, les cellules d’insectes et les cellules souches), les micro-organismes (comme les bactéries, levures et champignons), ainsi que les cellules végétales et les algues. Les mots « Bioréacteur » et « Fermenteur » sont en gros la même chose.
Les produits chimiques et les matériaux issus de matières premières renouvelables, comme la biomasse, deviendront de plus en plus importants dans l’économie circulaire du futur. La technologie de conversion par fermentation sera donc la partie la plus importante de ce processus.
La fermentation consiste à digérer les sucres en biomasse par des micro-organismes sélectionnés, produisant certains produits chimiques et parfois du CO2. Par exemple, pensez à la production du vin. La production d’éthanol (alcool) est une application très développée de la technologie de fermentation. Par exemple, le bioéthanol est déjà produit à grande échelle à partir de biomasse. Pas pour la consommation humaine, mais pour les biocarburants durables. La fermentation est également depuis longtemps utilisée commercialement dans l’industrie alimentaire et la production d’acide lactique.
Aération / Gazéification
Le but de l’aération en fermentation est de fournir de l’oxygène et d’éliminer le dioxyde de carbone des cellules microbiennes en suspension dans le liquide. La quantité d’aération est d’une importance capitale, car elle contrôle les taux de croissance cellulaire et la formation du produit.
Le mélange en phase gazeuse et liquide affecte les caractéristiques d’aération du fermenteur.
Les types d’aération suivants sont appliqués :
- Fermenteurs à la sartge avec un agitateur,
- Fermenteur à colonne de bulles,
- Fermenteurs en boucle.
Dans le fermenteur Sparged avec un agitateur, le gaz, généralement de l’air, est vaporisé dans le liquide, qui est ensuite remué par l’agitateur. C’est le type de fermenteur le plus courant. Dans ce processus, l’agitateur a une forte influence sur le processus de fermentation, ces fermenteurs étant utilisés principalement pour diverses fermentations aérobies.
La colonne de bulles est un récipient cylindrique contenant un liquide à travers lequel du gaz est fait passer des bulles ; Celle-ci peut être exploitée en continu avec des flux à contre-courant ou cocourant de liquide ou de gaz.
Dans le fermenteur Loop, le liquide est recirculé par la différence de densités moyennes du bouillon entre les sections gazées et non gazées ou par une pompe ou un jet de fluide.
Bioréacteurs
Un bioréacteur désigne tout dispositif ou système fabriqué qui soutient un environnement biologiquement actif. Le bioréacteur peut être un récipient dans lequel un processus biochimique est réalisé, impliquant des organismes ou des substances biochimiquement actives dérivées de ces organismes.
Ce processus peut être :
- Aérobie ou
- Anaérobie
Les cuves du bioréacteur sont généralement cylindriques, variant de litres à mètres cubes, et sont souvent fabriqués en acier inoxydable. Il peut également désigner un dispositif ou un système conçu pour faire croître des cellules ou des tissus dans le contexte de la culture cellulaire. Ces dispositifs sont développés pour une utilisation en ingénierie tissulaire ou en génie biochimique/bioprocédé.
Structure générale d’un type de bioréacteur à agitation continue
En fonction du mode de fonctionnement, un bioréacteur peut être classé en batch, alimenté par lots ou continu (par exemple, un modèle de réacteur à cuve continue à brassage).
Les organismes ou substances biochimiquement actives croissant dans les bioréacteurs peuvent être immergés dans un milieu liquide ou être ancrés à la surface d’un milieu solide. Les cultures submergées peuvent être suspendues ou immobilisées. Les bioréacteurs en suspension peuvent supporter une plus grande variété d’organismes, car des surfaces d’attache spéciales ne sont pas nécessaires, et peuvent fonctionner à une échelle bien plus grande que les cultures immobilisées. Cependant, dans un procédé continu, les organismes seront retirés du réacteur avec l’effluent. L’immobilisation est un terme général décrivant une grande variété de méthodes d’attachement ou d’emprisonnement cellulaire ou de particule. Elle peut être appliquée à pratiquement tous les types de biocatalyse, y compris les enzymes, les organites cellulaires, les cellules animales et végétales et les organes. L’immobilisation est utile pour les processus à fonctionnement continu, car les organismes ne seront pas retirés avec l’effluent du réacteur, mais elle est limitée en échelle car les microbes ne sont présents qu’à la surface du récipient.
Les bioréacteurs avec agitateurs utilisent la technique de culture du procédé dans le bioréacteur lui-même en mélangeant ou en remuant.
Un système de bioréacteur à cuve agitée se compose de plusieurs parties telles que :
- Un récipient rempli d’un milieu dans lequel les cellules sont cultivées.
- Des composants, à l’intérieur ou attachés au récipient ou à la tête du réservoir, pour mesurer et ajuster les conditions de culture, telles que les conduites d’alimentation et les capteurs.
- Un système de contrôle composé de composants externes permettant d’ajuster les conditions de culture (par exemple des pompes) et un logiciel de contrôle créant des conditions optimales de culture telles que des incubateurs et des vibrateurs, les bioréacteurs permettent de créer des conditions environnementales optimales pour la croissance des cellules ou des microbes. Ils diffèrent cependant dans la manière dont ils sont établis.
- Chemise de refroidissement avec capteurs de température
Et enfin, mais certainement pas le moindre :
- Agitateur ou mélangeur ; dans le bioréacteur où la culture est remuée avec une série d’éléments de mélange. Les éléments de mélange les plus couramment appliqués dans les procédés de fermentation sont les turbines Rushton ou les turbines concaves.
Ces éléments de mixage ont deux fonctions différentes :
- Améliorer le processus d’aération
- Créez un flux ascendant pour garantir que toutes les parties du récipient soient mélangées en continu.
Dans un bioréacteur, non seulement les cultures bactériennes, levures et cellules en suspension sont constamment mélangées, mais aussi des cultures de cellules adhérentes attachées à une matrice de croissance.
La température du milieu de culture est surveillée en continu à l’aide d’un capteur de température. Pour la réguler, le navire est équipé d’une chemise adaptée au chauffage ou au refroidissement.
En établissant des conditions aérobies, l’oxygène est transféré de l’air environnant vers le milieu de culture.
Ce procédé est plus efficace lorsque des mélangeurs ou des agitateurs sont appliqués, car ils augmentent l’exposition de la surface liquide.
Des déflecteurs placés à l’intérieur du récipient du réacteur
Un récipient de réacteur équipé de déflecteurs peut augmenter l’agitation d’un bouillon de fermentation et augmenter le temps de réaction du substrat dans le réacteur, améliorant ainsi la performance de production d’hydrogène et le taux de conversion d’énergie. Il est donc plus courant d’appliquer des déflecteurs à l’intérieur des cuves du réacteur avec des agitateurs.
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