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Les cuves de bioréacteur sont conçues pour améliorer la croissance microbienne et d'autres cultures cellulaires dans des conditions spécifiques. Voici les types industriels de cuves de bioréacteur :
Bioréacteur à cuve agitée
Le bioréacteur à cuve agitée (BCA) possède un agitateur qui homogénéise le fluide, améliorant le transfert d'oxygène et de substrat tout en maintenant les cellules en suspension. Le bioréacteur à cuve agitée a été initialement développé pour l'industrie de la fermentation, mais il a depuis été adapté à diverses autres applications. En conséquence, il est devenu l'une des conceptions de bioréacteurs les plus largement utilisées. Les applications qui utilisent ce bioréacteur comprennent la production d'antibiotiques, de bière, d'acides organiques, d'enzymes, de vitamines, d'acides aminés, de levure et de protéines de lactosérum.
Bioréacteur à airlift
Les réacteurs à airlift ont une grande colonne de cuve. L'air est pompé à travers la base de la colonne, créant un flux ascendant. La circulation du liquide inférieur provoque le mélange et les colonies de cellules et de micro-organismes montent sans cisaillement élevé. Cette réaction est bonne pour les cellules fragiles. L'application fermentation, le traitement des eaux usées et la production d'algues.
Bioréacteur à lit fluidisé
Les cuves de bioréacteur à lit fluidisé ont des cellules immobilisées en suspension. Le flux ascendant d'air ou de milieu fait que les particules de substrat sont mélangées. Ce mélange améliore le transfert des nutriments. La cuve de bioréacteur est faite de colonnes verticales avec un distributeur au fond. Le bioréacteur à lit fluidisé est utilisé pour le traitement des eaux usées, la production d'enzymes et le recyclage du milieu dans l'industrie alimentaire et des boissons.
Bioréacteur à membrane
Le bioréacteur à membrane réagit à la filtration du produit à travers les membranes. Le processus se déroule pendant que les cellules sont immobilisées dans le substrat. Les membranes peuvent être tubulaires, plates ou enroulées en spirale. Ces cuves de bioréacteur sont appliquées dans le traitement des eaux usées, la désalinisation de l'eau et la séparation des composants dans l'industrie alimentaire et des boissons.
Cuve agitée vs. airlift vs. lit fluidisé vs. bioréacteur à membrane
Le tableau suivant résume les différences entre la cuve agitée, l'airlift, le lit fluidisé et le bioréacteur à membrane.
Caractéristiques | Cuve agitée | Airlift | Lit fluidisé | Membrane |
Mécanisme de mélange | Agitateur | Flux ascendant de bulles d'air | Flux ascendant de liquide | Filtration tangentielle |
Forces de cisaillement | Cisaillement élevé | Faible cisaillement | Faible cisaillement | Faible cisaillement |
Type de croissance cellulaire | Culture en suspension | Culture en suspension | Cellules immobilisées | Cellules immobilisées |
Efficacité du mélange | Bonne | Bonne | Excellente | Excellente |
Les spécifications d'une cuve de bioréacteur peuvent varier en fonction du type, comme les cuves de bioréacteur microbien ou les cuves de bioréacteur mammalien, et leurs applications. Cependant, voici quelques spécifications courantes ainsi que leurs pratiques de maintenance.
Volume de travail
Pour les bioréacteurs de petite taille, les utilisateurs doivent s'assurer que le volume de travail reste dans la plage de fonctionnement recommandée afin d'éviter le dessèchement ou l'inondation de liquide. Pour les bioréacteurs à grande échelle, les utilisateurs doivent surveiller régulièrement les niveaux de biomasse et de métabolites afin de déterminer le volume de travail optimal pour des processus spécifiques.
Systèmes de contrôle
Les utilisateurs doivent calibrer régulièrement les capteurs et les composants de contrôle afin de maintenir des paramètres précis. Ils doivent également surveiller le système de contrôle pour détecter les alertes ou les tendances anormales et enquêter et résoudre rapidement le problème.
Matériaux
Les utilisateurs doivent effectuer des inspections périodiques pour surveiller le matériau de la cuve de bioréacteur afin de détecter tout signe de corrosion ou de dégradation. Ils doivent également mettre en œuvre des procédures de nettoyage et de désinfection appropriées pour maintenir l'intégrité des matériaux. Plus important encore, ils doivent s'assurer de la compatibilité du matériau des cuves de bioréacteur avec le milieu de process.
Système d'agitation
Les utilisateurs de bioréacteurs doivent surveiller la vitesse d'agitation et l'ajuster en fonction des conditions de process optimales pour éviter un stress de cisaillement excessif sur les cellules. De plus, ils doivent également équilibrer la charge du moteur pour éviter une surcharge. Plus important encore, ils doivent vérifier régulièrement les agitateurs pour détecter les dommages et les remplacer rapidement.
Déploiement
Les utilisateurs doivent surveiller la pression et la température du bioréacteur pour s'assurer d'une stérilisation à la vapeur appropriée lors de la configuration initiale ou de la maintenance périodique. Ils doivent également s'assurer que toutes les connexions sont étanches afin de maintenir l'intégrité du système et de prévenir la contamination.
Systèmes en aval
Les utilisateurs doivent vérifier tous les filtres et pompes des cuves de bioréacteur pour s'assurer d'un fonctionnement correct. Ils doivent également surveiller et contrôler le milieu bioréactif qui traverse le système afin d'éviter les obstructions et de garantir un traitement efficace.
Production pharmaceutique et de vaccins
Les cuves de bioréacteur jouent un rôle essentiel dans la production à grande échelle de composés pharmaceutiques tels que les anticorps monoclonaux, les protéines thérapeutiques et les vaccins. Ils offrent un environnement idéal pour la croissance et la reproduction des cellules vivantes qui produisent ces médicaments précieux.
Fermentation alimentaire et des boissons
Les cuves de bioréacteur sont largement utilisées dans l'industrie alimentaire et des boissons pour les processus de fermentation. Ils permettent la production contrôlée de produits alimentaires fermentés comme le yaourt, la choucroute et le levain, ainsi que de boissons alcoolisées telles que la bière, le vin et les spiritueux. Les cuves offrent les conditions optimales pour la croissance de micro-organismes spécifiques qui effectuent la fermentation, conduisant aux saveurs souhaitées et aux produits caractéristiques.
Recherche et développement en biotechnologie
En plus des applications industrielles, les cuves de bioréacteur sont des outils essentiels pour la recherche et le développement dans le domaine de la biotechnologie. Ils sont utilisés pour cultiver des cellules, des tissus et des organismes à des fins de recherche variées, notamment le génie génétique, la biologie synthétique et la biologie des systèmes. Les cuves permettent aux scientifiques de manipuler et d'étudier les systèmes biologiques de manière contrôlée et reproductible, facilitant le développement de nouveaux produits et procédés biotechnologiques.
Production de biocarburants
Les cuves de bioréacteur sont des composants clés dans la production de biocarburants, des sources d'énergie renouvelables dérivées de matières biologiques. Ils sont utilisés pour fermenter la biomasse, telle que les résidus agricoles ou les cultures énergétiques dédiées, en bioéthanol ou pour produire du biodiesel par la culture de microalgues. Les cuves fournissent les conditions nécessaires à la croissance et au métabolisme microbien, permettant la conversion de la matière organique en biocarburants précieux.
Les facteurs suivants sont cruciaux lors de la sélection de cuves de bioréacteur pour des applications spécifiques :
Choisir la bonne taille pour l'objectif
La taille des cuves de bioréacteur doit correspondre aux exigences. De cette façon, il peut faire pousser le nombre souhaité de cellules ou d'organismes. Un petit bioréacteur peut fonctionner pour des tests initiaux. Cependant, de plus grands réservoirs seront nécessaires pour la production à grande échelle.
Choisir des matériaux adaptés
Le matériau de la cuve de bioréacteur doit résister à son utilisation prévue. L'acier inoxydable convient à de nombreux types de bioréacteurs. Cependant, le verre est une meilleure option pour certains bioréacteurs de petite taille. Le matériau sélectionné doit également permettre un nettoyage et une stérilisation faciles.
Faire attention aux commandes et aux capteurs
Les cuves de bioréacteur nécessitent diverses commandes et capteurs. Ces appareils aident à réguler et à surveiller des facteurs tels que la température, le pH et l'oxygène dissous. Lors du choix d'un bioréacteur, tenez compte des types de commandes et de capteurs qu'il possède. Assurez-vous qu'ils sont capables de l'application prévue.
Penser au type de mélange nécessaire
Différents bioréacteurs ont des méthodes de mélange distinctes. Certains utilisent des cuves agitées tandis que d'autres appliquent des technologies de mélange par airlift ou par vortex. La sélection doit s'appuyer sur l'application particulière et les forces de transfert de masse et de cisaillement souhaitées.
Se renseigner sur la méthode de stérilisation nécessaire
Selon l'application précise, diverses cuves de bioréacteur nécessitent différentes techniques de stérilisation. L'autoclavage, la stérilisation à la vapeur sur place ou la stérilisation avec un flux continu de vapeur sont quelques exemples. Par conséquent, il est nécessaire d'étudier les méthodes de stérilisation requises correspondant à des bioréacteurs distincts. Choisissez un système qui répond à la procédure et à l'efficacité souhaitées.
Q : Quelle est la taille des cuves de bioréacteur ?
R : La taille d'une cuve de bioréacteur dépend de son application. Les cuves de bioréacteur utilisées dans l'industrie de la transformation alimentaire varient de 5 m3 à 40 m3. Les cuves de bioréacteur industrielles dans l'industrie pharmaceutique peuvent atteindre 15 000 m3.
Q : Une cuve de bioréacteur a-t-elle des parties en contact ?
R : Une cuve de bioréacteur comporte de nombreuses parties en contact, notamment des agitateurs, des parois inférieure, supérieure et latérales, des tuyauteries, des agitateurs et des séparateurs, des filtres, des vannes, des échangeurs de chaleur et des pompes.
Q : Quelles sont les étapes impliquées dans le processus de la cuve de bioréacteur ?
R : Le processus de la cuve de bioréacteur implique cinq étapes : la préparation du milieu, la stérilisation, l'inoculation, la culture et la séparation et la purification.
Q : Quelles sont les fonctions d'une cuve de bioréacteur ?
R : La cuve de bioréacteur gère l'apport de nutriments et de gaz aux cellules. Il régule également la température et la pression à l'intérieur de la cuve. Outre ces fonctions, la cuve de bioréacteur facilite également le mélange et l'expansion des cellules. Il protège les cellules de la contamination et de l'agitation des cellules.