Transferts de matière dans les bioréacteurs

Les cellules aérobies mises en culture dans un bioréacteur consomment l'oxygène dissous dans le milieu de culture liquide. La maximisation du transfert d'oxygène du milieu gazeux vers le milieu liquide devient alors d'une première importance, surtout pour les cultures denses.

La vitesse à laquelle les cellules consomment l'oxygène dissous dans un bioréacteur détermine la vitesse à laquelle l'oxygène doit être transféré du milieu gazeux vers le milieu liquide. De nombreux facteurs influencent la vitesse de consommation : la souche en culture, la phase de croissance, la nature de la source de carbone disponible. En culture discontinue, la vitesse totale de consommation d'oxygène varie au cours du temps. D'abord parce que la concentration cellulaire augmente, ensuite parce que la vitesse spécifique de consommation d'oxygène varie elle-même et est à son maximum dans les premiers stades de culture.

On a : \(v_{O_2}=q_{O_2}\times [X]\)

où \(v_{O_2}\) est la vitesse globale de consommation d'oxygène, en mol.L^-1.h^-1 ;

\(q_{O_2}\) est le taux spécifique de consommation d'oxygène, en mol.g de cellules^-1.h^-1 ;

[X] la concentration de cellules en g.L^-1.

Ainsi, la demande cellulaire en oxygène dépend de la phase de croissance et de la composition biochimique des cellules et du milieu ; cependant, lorsque la concentration en oxygène dissous limitée, la demande cellulaire dépend de la disponibilité de l'oxygène, comme le montre la figure ci-dessous :.

Afin de permettre aux cellules de se développer à un rythme optimum, il faut donc assurer une concentration d'oxygène dissous supérieure à la concentration critique, qui dépend de la souche en culture mais qui se situe autour de 5-10% de la saturation.

Par ailleurs, le choix du substrat carboné peut avoir un impact important. Souvent, la vitesse de consommation est la plus élevée lorsque le glucose est utilisé comme source de carbone. Par exemple, une souche de pénicillium présente des vitesses de consommation d'oxygène de 5,5 - 6,1 et 12 mmol.L^-1.h^-1 lorsque la source de carbone est respectivement du lactose, du saccharose ou du glucose.

Enfin, les cellules de mammifères ou les cellules de végétaux supérieures mises en culture présentent des vitesses spécifiques de consommation d'oxygène beaucoup plus faibles que celles des micro-organismes.

Les étapes successives de transfert de l'oxygène de la bulle de gaz vers la cellule sont présentées dans le schéma ci-dessous :

Lorsque les cellules sont dispersées dans le milieu de culture liquide et que ce dernier est bien agité, la principale résistance au transfert d'oxygène se situe au niveau du film liquide entourant la bulle de gaz. A l'état stationnaire, cette vitesse de transfert ainsi imposée (et limitée) est égale à la vitesse de consommation d'oxygène par les cellules et on peut écrire :

\(k_La\times ([O_2]^*-[O_2])=q_{O_2}\times [X]\)

Cette dernière équation permet de calculer la concentration maximale de cellules que le bioréacteur peut supporter sans déficit d'oxygène :

\([X]_{max}=\frac{k_La\times [O_2]^*}{q_{O_2}}\)

ou encore le k_La critique, qui permet de ne pas avoir de croissance limitée par le déficit d'oxygène :

\((k_La)_{crit}=\frac{q_{O_2}\times [X]}{([O_2]^*-[O_2]_{crit})}\)

Le bon dimensionnement du bioréacteur nécessite, outre la connaissance des performances de transfert d'oxygène, une connaissance de la vitesse spécifique de consommation d'oxygène (\(q_{O_2}\)) par les cellules mises en culture. Ce paramètre reflète le besoin intrinsèque des cellules en oxygène pour assurer leur croissance et la production de métabolites.

La vitesse globale de consommation d'oxygène par les cellules peut être mesurée en arrêtant l'oxygénation du milieu et en enregistrant la diminution de la concentration d'oxygène dissous au cours du temps. Le temps de cette mesure étant relativement court (quelques minutes), il est en principe nettement inférieur au temps de génération des cellules. La concentration de cellules durant la mesure peut donc être considérée constante et La vitesse spécifique de consommation d'oxygène est calculée comme suit :

\(q_{O_2}=\frac{v_{O_2}}{[X]}\)