Fermenteurs et Bioréacteurs pour les biotechnologies

Tous les composants principaux d'un fermenteur/bioréacteur figurent sur ce schéma . Nous en expliquons le fonctionnement et l'utilité plus bas .

Quelle sont les différences entre un fermenteur et un bioréacteur ?

Au niveau fonctionnel, ce sont deux équipements similaires . Le terme "fermenteur" est utilisé lorsqu'il s'agit de procédés de fermentation à base de bactéries, de moisissures ou d'algues . Le terme "bioréacteur" est utilisé pour les cultures de cellules et de tissus, donc pour les applications pharmaceutiques et médicales (production de vaccins, protéines thérapeutiques).

Le bioréacteur est un système plus pointu, plus précis, car la culture cellulaire est un procédé qui doit être controlé avec une grande précision. Il est souvent équipé de plus de capteurs, voir d'un module "calcul" permettant un controle du process plus "intelligent"

Comme les bactéries , les algues et les moisissures sont plus rustiques et robustes, on peut se contenter d'équipements moins sophistiqués, donc moins chers à l'achat. Ce qui est une des clés pour réussir à passer le cap de la rentabilité économique à grande échelle d'un procédé utilisant la fermentation de précision.

Comment fonctionne un fermenteur ?

Le principe du fermenteur/bioréacteur consiste à reproduire artificiellement les conditions optimales de croissance des micro-organismes ( cellules, bactéries, algues, levures ... ) afin qu’elles se multiplient et produisent la molécule souhaitée. Pour cela, le fermenteur agit comme un écosystème contrôlé, où tous les paramètres biologiques et physico-chimiques sont surveillés et régulés.

La cuve et ses équipements

Le fermenteur est généralement une cuve cylindrique en acier inoxydable (souvent en inox 316L). Elle est équipée de nombreux composants qui permettent de contrôler le procédé biologique.

À l’intérieur de la cuve se trouve un agitateur mécanique, constitué d’un arbre et de turbines. L’agitation assure un mélange homogène du milieu de culture, évite la sédimentation des micro-organismes et favorise la dissolution de l’oxygène dans le liquide.

Un système d’injection de gaz ( air, O2,... ) , appelé sparger (ou bulleur), introduit de fines bulles d’air ou d’oxygène dans le milieu. Cet apport d’oxygène est essentiel pour les micro-organismes aérobies qui en ont besoin pour respirer et produire de l’énergie.

La cuve est également équipée d’une chemise thermique ou d’un serpentin permettant de contrôler la température grâce à de l’eau chaude ou froide. Le maintien d’une température stable est crucial pour le métabolisme des cellules.

Le milieu de culture et l’inoculation

Avant de démarrer une fermentation, on remplit la cuve avec un milieu de culture, c’est-à-dire une solution nutritive contenant de l’eau, une source de carbone (comme le glucose), une source d’azote, des sels minéraux et parfois des vitamines.

Ce milieu fournit aux micro-organismes l’énergie et les nutriments nécessaires à leur croissance.

On introduit ensuite les micro-organismes dans la cuve : c’est l’inoculation. Les cellules commencent alors à se multiplier et à consommer les nutriments présents dans le milieu.

Le contrôle du procédé

Pendant toute la fermentation, plusieurs paramètres sont surveillés et régulés automatiquement grâce à des capteurs et à un système de contrôle.

Les paramètres les plus importants sont :

• la température, qui influence la vitesse des réactions enzymatiques

• le pH, qui doit rester dans une plage compatible avec la croissance cellulaire

• l’oxygène dissous (DO), qui indique si les cellules disposent d’assez d’oxygène

• la vitesse d’agitation, qui influence le mélange et le transfert d’oxygène

• le débit d’air, qui apporte l’oxygène nécessaire

Si un paramètre s’écarte de la valeur souhaitée, le système de contrôle agit automatiquement : il peut augmenter l’agitation, injecter plus d’air, ajouter un acide ou une base pour corriger le pH, ou ajuster la température.

Sur les fermenteurs blanc-labo, le controle de la réacetion est assuré par une automate Siemens S7. C'est un système ouvert, non propriétaire, qui permet de nombre évolutions dans le temps.

La production biologique

Pendant leur croissance, les micro-organismes produisent naturellement différentes molécules. Selon l’application, on peut chercher à produire :

• de la biomasse (par exemple de la levure)

• des enzymes industrielles

• des protéines thérapeutiques

• des acides organiques

• des vaccins ou des anticorps

La fermentation dure généralement de quelques heures à plusieurs jours.

La récolte et la purification

À la fin du procédé, on récupère le contenu du fermenteur pour extraire le produit d’intérêt. Cette étape fait partie du downstream processing, qui comprend des opérations comme la centrifugation, la filtration ou la chromatographie afin de purifier la molécule produite.

Quels sont les différents types de fermenteurs/bioréacteurs ?

Fermenteurs pour l'agro-alimentaire

Ce sont des cuves équipées d'un dispositif d'agitation mécanique qui permet de mélanger les substances fermentées de manière homogène et d'assurer une bonne oxygénation du milieu. Ce type de fermenteur est couramment utilisé pour la production de produits fermentés tels que le yaourt ou la bière.

Fermenteurs en anaérobie

Ils sont conçus pour la fermentation en l'absence d'oxygène et utilisés par exemple pour produire des fromages ou de la choucroute

Fermenteurs en cascade

Ils sont utilisés pour les process de fermentation en étapes successives , comme par exemple la préparation d'un innoculum , puis la croissance du milieu.

La cascade mulitple permet notamment le scale-up pour passer de petites quantités de produit à une production à grande échelle.

Fermenteurs en parallèle

Les fermenteurs parallèles ( ou multi-fermenteurs ) sont au contraire tous de même taille. Ils sont utilisés en R&D pour accélérer le processus de développement d'une nouvelle substance, car ils permettent de tester sur de petits volumes juqu'à 24 jeux de paramètres pour une même réaction bio-chimique.

Photo-bioréacteurs

Ils sont utilisés pour la culture et l'étude des microalgues ,cyanobactéries, les gamétophytes de macroalgues, ..... De manière générales tous les micro-organismes photosynthétiques en suspension dans l'eau. Ces réacteurs sont équipés d'une lumière intense qui accélère le développement de ces micro-organismes. Les chercheurs qui utilisent ces photo-bioréacteurs travaillent sur les bio-carburants, la photosynthèse, les produits chimiques bio-sourcés....

Bioréacteurs à usage unique ("single use")

Un bioréacteur à usage unique (Single-Use Bioreactor) est un fermenteur dans lequel la cuve inox traditionnelle est remplacée par une poche stérile jetable en plastique multicouche. Cette poche, pré-stérilisée par irradiation gamma, est installée dans une structure réutilisable équipée de systèmes d’agitation, d’aération et de contrôle (pH, oxygène, température). Après chaque culture, la poche est retirée et remplacée, ce qui supprime les opérations de nettoyage et de stérilisation (CIP/SIP) et réduit les risques de contamination croisée. Ces systèmes sont très utilisés en biotechnologie, notamment pour produire des anticorps, vaccins et protéines thérapeutiques, car ils offrent flexibilité, rapidité de mise en œuvre et infrastructure simplifiée.

Par contre ils sont trop onéreux pour la production de de substances moins chères au kilo que les médicaments avancés. Il faut allors s'équiper de fermenteurs inox pour pouvoir obtenir un procédé rentable économiquement.

Fermenteur horizontal pour solides

C'est un bioréacteur utilisé en fermentation sur substrat solide (SSF). Un tambour horizontal aéré et parfois rotatif permet la croissance de micro-organismes sur des matériaux humides (son, résidus agricoles). Applications : production d’enzymes, aliments fermentés (koji, miso), biopesticides, spores, arômes et valorisation de déchets agricoles.

Comment choisir son fermenteur ? Verre, Inox, Single Use ?

Le choix entre les 3 technologies dépend principalement ,

• du prix au kilo de la substance fabriquée

• de la phase de développement ( R&D, Pilote, Production )

Pour la production de substances pharmaceutiques à forte valeur ajoutée, le coût des consommables ( Single-Use) est largement compensé par la facilitée de mise en oeuvre du Single-Use , qui se répend rapidement parmi les chercheurs dans la pharma industrie.

Pour les autres substances, le Single-Use peut convenir durant les phases de R1D initiales , mais le cout des consommables devient très vite un obstacle au passage à la rentabilité économique. Il faut alors un process en inox, stable et durable.

Les fermenteurs en verre sont essentiellement utilisés durant la phase de R&D

Qu'est-ce le module "calcul" et les "soft sensors" ?

Le module calcul est très souvent demandé par les clients les plus avancés (ou les CDMO qui doivent s’adapter à de nombreux clients ) . Il s’appelle BIOBRAIN par exemple chez Sartorius.

Il permet surtout une automatisation intelligente du bioprocédé, avec notamment la création de « soft sensors » . Lucullus, qui est un système ouvert mais très cher, fait la même chose .

Pour les fermenteurs Blanc-labo nous avons choisi le logiciel BlueVIS 4.0 de BlueSens . Il est simple, permet les softsensors, et est peu cher. Il suffit dans 95% des applications.

Il permet notammaent de créer et d'utiliser les soft sensors . Il n’est utilisable avec toutes ses fonctionnalités que si vous prenez aussi l’analyseur de gaz BlueInOne ou BlueVary.

Ce logiciel est doté d’un serveur OPC qui permet d’analyser en temps réel les données remontant des fermenteurs. Il calcule en temps réel OUR, CER, RQ, kLa, estimation biomasse ( soft sensor ).

Vous pouvez aussi utiliser vos “soft sensors” comme par exemple,  biomasse X, OUR/CER, qO2, substrat entrant, productivité instantané, taux spécifique de croissance ( µ ).

BlueVis transforme un fermenteur standard en un système de bioprocess intelligence, capable de fournir en temps réel biomasse, activité métabolique, indicateurs pilotage feed et ce sans ajouter d’instrumentation coûteuse.

Vous pourrez alors avoir des lois de pilotage basées sur un ou plusieurs soft-sensors , comme dans les exemples suivants :

• Pilotage du fed-batch par µ estimé

• Pilotage du feed par RQ

• Pilotage par OUR (ou DO + OUR) pour rester juste en dessous d’une limite O₂

• Pilotage de la phase (détection automatique des transitions)