Maîtriser le kLa lors du scale-up :

Le kLa (coefficient de transfert volumique d’oxygène) est un paramètre clé pour assurer l’oxygénation optimale des cultures dans un bioréacteur. Lors du changement d’échelle, en particulier du laboratoire vers le pilote, le maintien d’un kLa adéquat devient un véritable défi. En effet, l’augmentation du volume de cuve modifie significativement l’hydrodynamique, les régimes d’écoulement et la surface d’échange gaz-liquide.

Pourquoi le kLa chute quand le volume augmente ?

À grande échelle, les rapports surface/volume diminuent, ce qui limite la surface d’échange de l’oxygène dissous. Par ailleurs, l’homogénéisation devient plus difficile, et les gradients d’oxygène apparaissent. Les vitesses de rotation ne peuvent pas être simplement extrapolées (ex : règle du 1:1 pour le N ou P/V), car cela pourrait générer une surpuissance mécanique destructrice pour les cellules.

Quelles stratégies pour maintenir un bon kLa ?

1. Optimisation du système d’agitation : Le type d’agitateur (Rushton, marine, hélicoïdal), son positionnement et sa vitesse doivent être ajustés pour maximiser la dispersion du gaz sans créer de cisaillement excessif.

2. Amélioration de l’aération : L’utilisation de spargers multi-points, de microbulles ou l’augmentation du débit d’air (tout en contrôlant la surpression) améliore l’efficacité de transfert.

3. Pressurisation modérée : Une légère surpression (0,5 à 1 bar) dans la cuve augmente la solubilité de l’oxygène, et donc le kLa.

4. Modélisation CFD ou DOE : Ces approches permettent d’anticiper les effets du scale-up sur le kLa et d’identifier les paramètres critiques à ajuster.

Conclusion

Le contrôle du kLa en scale-up est un enjeu majeur en fermentation. Une approche multi-paramètres combinant ingénierie mécanique, monitoring précis et modélisation permet d’optimiser le transfert d’oxygène tout en respectant la viabilité cellulaire.

Mais hélas, il n'y a pas de formule miracle . Pour monter en volume, il faut essayer et essayer encore. Votre expérience de votre produit, et la flexibilité de vos bioréacteurs vous aideront à progresser plus rapidement, mais il est prudent d'allouer du temps pour cette phase d'optimisation dont dépend la rentabilité in fine du projet.