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Concernant bioréacteur industriel

Types de bioréacteurs industriels

Le bioréacteur industriel est un système de production biologique à grande échelle qui joue un rôle important en thérapie génique, en thérapie cellulaire et en ingénierie tissulaire. Dans l'industrie alimentaire, il joue un rôle important dans la fermentation. Selon le mode de fonctionnement, un bioréacteur peut être classé en trois catégories : à flux continu, discontinu et semi-continu.

  • Bioréacteur discontinu :

    Un bioréacteur discontinu est un réacteur dans lequel les matières premières sont chargées en une seule fois et cultivées à l'intérieur du récipient. C'est l'un des types de conception de bioréacteur les plus utilisés. L'ensemble du processus peut être divisé en quatre phases : injection des matières premières, réaction, extraction du produit et nettoyage. Les bioréacteurs discontinus augmentent la variété des produits et la flexibilité. En raison de l'absence d'entrée et de sortie simultanées, ils sont généralement plus faciles à contrôler et à gérer que les bioréacteurs continus.

  • Bioréacteur à flux continu :

    Un bioréacteur à flux continu est un réacteur dans lequel les matières premières et les produits entrent et sortent du réacteur simultanément, formant un processus de production continu. Les bioréacteurs continus peuvent améliorer la productivité par unité de volume et conviennent à la production stable à grande échelle. Cependant, la conception et le contrôle des bioréacteurs continus sont difficiles, car il est nécessaire de garantir que le réacteur maintient l'état stationnaire et d'empêcher l'entrée de matières premières et la contamination.

  • Bioréacteur semi-continu :

    Un bioréacteur semi-continu est un réacteur dans lequel les matières premières sont chargées périodiquement et les produits sont extraits en continu. Les bioréacteurs semi-continus combinent les caractéristiques des bioréacteurs discontinus et continus. Ils améliorent la productivité et la concentration et conviennent à certaines applications qui doivent fonctionner pendant une longue période et à des processus semi-continus. La conception et le fonctionnement des bioréacteurs semi-continus sont similaires à ceux des bioréacteurs discontinus, mais ils doivent extraire les produits en continu et mettre en œuvre un fonctionnement semi-continu.

De plus, selon le mode de transfert de masse, les bioréacteurs peuvent être divisés en réacteurs en phase liquide, en réacteurs en phase gazeuse et en systèmes de bioréacteurs biphasiques. Le bioréacteur en phase liquide est un réacteur dans lequel le système réactionnel est un liquide. C'est le type de bioréacteur le plus courant et il comprend les bioréacteurs à cuve agitée, les bioréacteurs à écoulement piston et les bioréacteurs CSTR. Le bioréacteur en phase gazeuse est un réacteur dans lequel le système réactionnel est un gaz, comprenant un bioréacteur gaz-solide à lit fixe et un bioréacteur gaz-solide à lit fluidisé. Le système de bioréacteur biphasique comprend un système gaz-liquide et un système gaz-liquide-solide.

Spécifications et maintenance des bioréacteurs industriels

Spécifications des bioréacteurs industriels

  • Spécifications génériques

    Les cuves de bioréacteurs existent en différentes tailles pour répondre à différents volumes de fonctionnement, allant des petits réacteurs de laboratoire d'une capacité de quelques litres aux grands réacteurs industriels qui contiennent des milliers de litres de volume de travail. De plus, les matériaux utilisés pour fabriquer les cuves de bioréacteurs varient en fonction des besoins spécifiques du bioprocessus. Par exemple, certains bioréacteurs sont fabriqués en verre pour faciliter l'observation de la culture et garantir la stérilité, tandis que d'autres sont fabriqués à partir de différents types d'acier inoxydable pour garantir la durabilité et résister aux conditions de haute pression et de haute température. Plus important encore, la conception de la cuve du bioréacteur affecte également les taux de mélange et de transfert de masse du bioréacteur. Certaines conceptions populaires comprennent les réacteurs _à cuve rigide_, les réacteurs à ballon, les réacteurs à fibres creuses et les réacteurs _tubulaires à cisaillement_.

  • Système d'aération

    Les systèmes d'aération d'un bioréacteur fournissent l'échange de gaz nécessaire pour que les nutriments et l'oxygène puissent diffuser dans l'organisme, tandis que les déchets et le dioxyde de carbone peuvent diffuser hors de l'organisme. Les bioréacteurs ont généralement des compresseurs ou des pompes externes pour l'aération forcée, et les bulles et l'agitation créées fournissent un mélange et un transfert de masse supplémentaires dans le réacteur. Le bioréacteur dispose également de certains dispositifs tubulaires : par exemple, un diffuseur au fond de la cuve du bioréacteur, qui décompose l'air en petites bulles qui remontent à travers le milieu liquide. De plus, certains bioréacteurs qui se concentrent sur la réduction des coûts des fournitures d'air adoptent également des bioréacteurs à airlift qui utilisent les forces de flottabilité pour faire circuler le fluide de culture.

  • Système de contrôle

    Les bioréacteurs industriels plus avancés sont généralement équipés de systèmes de contrôle complexes qui permettent aux utilisateurs de surveiller et de contrôler divers paramètres en temps réel. Par exemple, le régulateur de température peut maintenir la température à des valeurs optimales ; les régulateurs de pH, d'oxygène dissous et de potentiel redox peuvent garantir que l'environnement de culture atteint les conditions idéales ; et les capteurs de pression peuvent empêcher les bioréacteurs de fuir et d'exploser avec les diffuseurs automatiques.

Maintenance des bioréacteurs industriels

La maintenance régulière des bioréacteurs industriels contribue à garantir leur stabilité et leur sécurité. Elle contribue également à améliorer le rendement et la qualité du produit tout en prolongeant la durée de vie du bioréacteur. Les suggestions suivantes fournissent un processus de maintenance systématique qui garantit l'efficacité de fonctionnement du bioréacteur.

  • Nettoyage et désinfection avant utilisation : Avant d'utiliser le bioréacteur, il est très important de nettoyer soigneusement le système afin d'éliminer tous les résidus et les contaminants restants après l'utilisation précédente. Généralement, cette procédure permet d'éviter les contaminations croisées et de garantir la pureté de la culture. Les chercheurs nettoient et désinfectent généralement le bioréacteur à l'aide d'agents de nettoyage et de méthodes de stérilisation appropriés. Ensuite, le bioréacteur doit également être rincé à l'eau stérilisée pour éliminer tous les agents de nettoyage et les désinfectants.
  • Vérification des pièces : Les utilisateurs peuvent ensuite vérifier les composants et les pièces clés du bioréacteur, y compris _l'agitateur, le diffuseur, les joints et les vannes_ après le nettoyage et la désinfection minutieux du bioréacteur. Ils doivent s'assurer que ces composants ne sont pas endommagés ou fuyants. Plus important encore, ils doivent également ajuster les éléments d'étanchéité et les points de connexion pour s'assurer qu'ils fonctionnent bien et de manière fiable ensemble.
  • Surveillance et maintien des paramètres clés : Les utilisateurs doivent surveiller et maintenir les paramètres critiques du bioréacteur de manière cohérente et périodique, en ajustant la température, la pression et le pH pour s'assurer que ces paramètres sont toujours maintenus à des niveaux appropriés et prédéfinis. De cette façon, des conditions de culture optimales et idéales peuvent être fournies aux organismes. De plus, les utilisateurs doivent également porter une attention particulière à l'approvisionnement et à l'échange de nutriments et de gaz dans le bioréacteur. Ils doivent s'assurer que les pompes et les diffuseurs fonctionnent bien avec un débit approprié.
  • Élimination des contaminants : Les utilisateurs doivent également prendre certaines mesures pour éviter les contaminations croisées et améliorer la pureté de la culture. Par exemple, ils peuvent garder tous les équipements et matériaux externes qui sont en contact avec le réacteur ou la culture stériles ou propres. De plus, les utilisateurs peuvent également tenir un registre de toutes les opérations du bioréacteur et surveiller attentivement la culture afin que tout contaminant potentiel puisse être détecté le plus tôt possible.

Scénarios d'utilisation des bioréacteurs industriels

  • Industrie pharmaceutique : La majorité des applications des bioréacteurs se situent dans le secteur pharmaceutique, et cette tendance s'applique aux bioréacteurs de petite et de grande échelle. Ces réacteurs sont précieux dans le développement et la production de médicaments pour les antibiotiques, les anticorps monoclonaux, les vaccins, les hormones et autres protéines thérapeutiques. De toute évidence, les bioréacteurs sont des modèles très importants pour les produits biologiques et les médicaments à petites molécules.
  • Industrie alimentaire : Les bioréacteurs sont couramment utilisés dans le secteur alimentaire pour fermenter et cultiver une large gamme de produits alimentaires. Cela comprend les aliments cultivés tels que le yogourt, le kéfir et autres aliments fermentés. Les bioréacteurs peuvent également être utilisés pour produire des additifs alimentaires tels que les acides aminés, les enzymes et les vitamines.
  • Secteur énergétique : Les bioréacteurs à grande échelle sont utilisés pour générer de l'énergie dans le secteur énergétique par le biais de processus de digestion anaérobie et de fermentation. Les bioréacteurs utilisent des déchets organiques ou de la biomasse comme substrat et finissent par produire des biocarburants tels que l'éthanol, le biodiesel et le biogaz. Le bioréacteur peut être présenté dans différentes conceptions, telles que les réacteurs UASB (blanket de boues anaérobies à écoulement ascendant), les réacteurs CSTR (cuve agitée continue) et les réacteurs SBR (réacteurs à lots séquentiels).
  • Applications environnementales : Les bioréacteurs de grande et de petite échelle sont utilisés dans le secteur environnemental pour le traitement des déchets et la biorémédiation. Dans le cas du traitement des eaux usées, les bioréacteurs utilisent des micro-organismes pour dégrader la matière organique et autres composés présents dans l'eau. Quant à la biorémédiation, les réacteurs peuvent être utilisés pour nettoyer les sols ou les eaux contaminés en dégradant les polluants par l'activité microbienne.

Comment choisir des bioréacteurs industriels

La sélection des bioréacteurs les plus appropriés pour l'application prévue implique la prise en compte de divers facteurs cruciaux. Voici quelques-uns d'entre eux :

  • Échelle de production

    L'échelle de production est l'un des facteurs les plus importants lors du choix d'un bioréacteur industriel. Tout d'abord, il est essentiel de déterminer le volume souhaité du produit final. Ensuite, il faut choisir un bioréacteur capable de répondre à l'échelle de production cible. Généralement, la production à grande échelle nécessite des bioréacteurs plus grands. Par exemple, un bioréacteur à cuve agitée de 1 000 litres ou plus est le plus adapté à la production à grande échelle dans de nombreuses applications.

  • Flexibilité

    Lors du choix d'un bioréacteur industriel, il est également essentiel de tenir compte de la flexibilité du système. Un bon bioréacteur doit pouvoir prendre en charge différentes lignées cellulaires, conditions de culture et stratégies d'alimentation. Il serait préférable de choisir les bioréacteurs à conception modulaire ou à composants évolutifs si l'on doit modifier le processus de production.

  • Automatisation et contrôle

    L'automatisation et le contrôle sont également des éléments essentiels à prendre en compte lors du choix des bioréacteurs. Les bioréacteurs automatisés avancés avec un contrôle précis des paramètres environnementaux peuvent améliorer considérablement la reproductibilité et la cohérence du produit. Pensez à des facteurs comme le système de contrôle, la sélection des capteurs et les capacités d'intégration des données, et choisissez un bioréacteur adapté qui répond aux exigences d'automatisation et de contrôle.

  • Coût

    Le coût est également un aspect important à prendre en compte lors de la sélection des bioréacteurs. Tenez compte du coût d'achat initial, ainsi que des coûts de fonctionnement, des frais de maintenance et des consommables à un stade ultérieur.

Questions-réponses sur les bioréacteurs industriels

Q : Comment fonctionne un bioréacteur ?

R : En général, la fonction du bioréacteur peut être résumée en quatre étapes : le mélange, l'échange de gaz, l'échange de chaleur et l'échantillonnage et l'alimentation.

1. Mélange : L'agitateur du bioréacteur est utilisé pour mélanger le contenu. Le mélange garantit que toutes les parties du bioréacteur sont identiques. Il permet de diffuser les nutriments et de maintenir les cellules en vie. Un bon mélange empêche également les cellules de se coller aux parois du bioréacteur. Travailler avec les bioréacteurs, les homogénéisateurs et les pompes de fermentation améliore le mélange.

2. Échange de gaz : Certaines cellules du bioréacteur ont besoin d'oxygène pour se développer. Le bioréacteur fournit un moyen pour les gaz d'entrer et de sortir. Le bioréacteur contient des bulles ou une membrane poreuse. Les bulles donnent de l'oxygène et éliminent le dioxyde de carbone. La membrane fait les deux tâches avec seulement l'oxygène qui la traverse.

3. Échange de chaleur : Chaque bioréacteur dispose d'un moyen de contrôler la chaleur. Il peut s'agir d'une chemise autour du bioréacteur ou de serpentins à l'intérieur. L'eau circule dans la chemise ou les serpentins. Si le bioréacteur est trop chaud, l'eau évacue une partie de la chaleur. S'il est trop froid, l'eau restitue de la chaleur. Cette méthode maintient le bioréacteur à la bonne température pour les cellules.

4. Échantillonnage et alimentation : Parfois, il est nécessaire de prélever une partie du mélange dans le bioréacteur. Cette partie est testée pour voir comment les cellules se développent. Souvent, de nouveaux aliments sont également introduits dans le bioréacteur. Un endroit petit et sécurisé est utilisé pour prélever des échantillons et ajouter des aliments. Il s'appelle un "cip/sig". Il garantit la sécurité et la propreté du bioréacteur.

Q : Quels types de bioréacteurs sont populaires ?

R : Le bioréacteur à cuve agitée reste le plus utilisé. Il représente 80 à 90 % de tous les bioréacteurs utilisés. De nombreuses améliorations ont été apportées pour en améliorer le fonctionnement. D'autres types, tels que les bioréacteurs à airlift, à colonne à bulles et à lit fluidisé, sont utilisés dans certains endroits.

Q : Quels sont les facteurs à prendre en compte lors de l'achat d'un bioréacteur ?

R : La taille du bioréacteur est un élément important à prendre en compte. Il doit contenir suffisamment de liquide pour que le travail puisse être effectué. Pensez également à la façon dont le bioréacteur se mélange et dégage des gaz. La façon dont il est chauffé et refroidi doit également être examinée. Il doit être facile à nettoyer et à utiliser avec différents types de cellules ou de germes.

Q : Quelles sont les tendances dans les bioréacteurs industriels ?

R : Les bioréacteurs s'améliorent. Désormais, davantage de réacteurs disposent de bons contrôles pour O2, CO2, pH et température. Des bioréacteurs plus grands sont utilisés pour fabriquer davantage de choses. Le recyclage des déchets dans les bioréacteurs devient une nécessité. De plus, les moyens d'insérer et de retirer en toute sécurité des éléments des bioréacteurs sont de plus en plus étudiés.