Stratégies de contrôle de l'oxygène en bioprocédés et leur application à la conception des cuves de fermentation

Introduction

L'oxygène dissous (OD) est un facteur clé influençant la fermentation microbienne, et joue un rôle crucial dans la fermentation aérobie. Les variations de sa concentration affectent directement le métabolisme, les voies de biosynthèse et le rendement des micro-organismes. Par conséquent, le contrôle précis et dynamique de la concentration d'oxygène est non seulement essentiel à l'optimisation de la fermentation, mais constitue également un axe de recherche majeur en ingénierie de la fermentation moderne.

Cet article explorera les stratégies de base pour contrôler l'oxygène dissous dans la fermentation biologique et, à l'aide d'exemples pratiques, analysera comment ces stratégies peuvent se refléter dans la conception et le fonctionnement des cuves de fermentation, favorisant ainsi une production de fermentation efficace et stable.

I. Le rôle et les besoins en oxygène dans les bioprocédés

Lors de la fermentation par des micro-organismes aérobies (levures, Bacillus subtilis, Penicillium, etc.), l'oxygène sert d'accepteur d'électrons dans le métabolisme respiratoire, fournissant l'énergie nécessaire à la croissance cellulaire et à la synthèse des produits. En cas de concentration insuffisante d'oxygène, les micro-organismes peuvent basculer vers un métabolisme anaérobie, entraînant une augmentation des sous-produits, une diminution des produits cibles, voire la mort cellulaire.

Le taux d'oxygène dans le bouillon de fermentation est généralement exprimé en saturation relative (%). Dans l'industrie, il est généralement maintenu entre 20 et 60 %, selon la souche, le stade de croissance et le type de produit cible.

II. Stratégies de base pour le contrôle de l'oxygène

Le niveau d'oxygène résulte du processus de transfert de masse triphasique gaz-liquide-solide. Pour le contrôler, il convient de prendre en compte les aspects suivants :

1. Régulation de l'alimentation en oxygène gazeux

• Réglage du débit de ventilation : Augmenter le débit de ventilation (Vvm, rapport du volume de gaz au volume de liquide de fermentation) est le moyen le plus direct d’apporter de l’oxygène. Cependant, un débit de ventilation excessif peut entraîner une augmentation de la formation de mousse, une force de cisaillement excessive, voire endommager les cellules microbiennes.
• Réglage de la concentration en oxygène : En utilisant un apport enrichi en oxygène (comme l'oxygène pur ou l'air à haute teneur en oxygène), l'efficacité du transfert d'oxygène peut être améliorée, ce qui convient à la fermentation à haute densité.
• Alimentation alternée : Dans certains procédés, une stratégie par étapes et par groupes pour l'introduction de différents gaz (tels que l'air et l'oxygène pur) est adoptée afin d'améliorer l'efficacité globale du transfert d'oxygène.

2. Optimisation du système de mélange

L'agitation influe sur la rupture des bulles, la circulation du liquide et l'efficacité du transfert d'oxygène dans le microenvironnement.

L'augmentation de la vitesse d'agitation peut accroître le degré de dispersion des bulles et la perturbation du film liquide, augmentant ainsi le taux de transfert d'oxygène (KLa).

L'utilisation d'agitateurs multicouches, de structures à lames variables ou d'agitateurs auto-aspirants peut améliorer l'homogénéité du mélange et la capacité de transfert.

Système de préparation de liquides en acier inoxydable MIKEBIO

3. Contrôle de la pression

L'augmentation de la pression dans la cuve de fermentation peut améliorer la solubilité de l'oxygène dans la phase liquide (selon la loi de Henry), ce qui est applicable aux procédés de fermentation ayant des besoins en oxygène extrêmement élevés, tels que la production d'antibiotiques ou de substances polypeptidiques.

4. Optimisation du milieu de culture

La viscosité, la tension superficielle et la composition du milieu de culture influencent le transfert d'oxygène. L'ajout de tensioactifs peut réduire la coalescence des bulles et améliorer la solubilité de l'oxygène.

5. Surveillance en temps réel et régulation par rétroaction

Grâce à une sonde à oxygène dissous en ligne, associée à un système automatisé, obtenir un contrôle par rétroaction :

• DO
• DO > limite supérieure : réduire le débit ou la vitesse du gaz, ce qui permet d’économiser de l’énergie et d’éviter l’effet inhibiteur d’une saturation excessive en oxygène.

III. Mise en œuvre d'une stratégie de contrôle de l'oxygène dissous dans la conception des cuves de fermentation

Un contrôle efficace de l'oxygène dissous exige que la conception de cuve de fermentation Elle prend pleinement en compte le transfert de masse gaz-liquide, la consommation d'énergie et la tolérance des micro-organismes. Les principaux aspects de conception sont les suivants :

1. Conception du système de distribution de gaz

• Dispositifs d'aération annulaires ou multipoints : améliorent la répartition uniforme du gaz dans le réservoir afin d'éviter l'hypoxie locale.
• Aérateurs micro-perforés ou têtes d'aération rotatives : augmentent la surface des bulles, améliorant ainsi le taux de transfert d'oxygène par unité de volume.
• Systèmes à source de gaz riche en oxygène ou à double source de gaz : Concevoir des interfaces riches en oxygène ou des interfaces de source de gaz de secours pour s’adapter aux fluctuations de la demande en oxygène aux différentes étapes.

2. Conception du système de mélange

• Structure d'hélice à plusieurs étages (telle que Rushton, type à pales inclinées, hélice à bulles) : Répond aux exigences de transfert d'oxygène pour différents micro-organismes et viscosités.
• Système d'entraînement à vitesse variable : Permet un réglage dynamique de la vitesse d'agitation pour s'adapter aux différentes étapes de la fermentation.
• Système de mélange auto-aspirant : certaines cuves de fermentation intègrent une fonction d’absorption d’oxygène sous la surface du liquide, améliorant ainsi le taux d’utilisation de l’oxygène dans des conditions de faible aération.

3. Optimisation de la géométrie du réservoir et du rapport volume

• Conception à rapport diamètre/hauteur élevé (H/D ≥ 2) : Augmente la hauteur de la colonne de liquide, prolonge le temps de séjour des bulles et améliore l'efficacité du transfert d'oxygène.
• Structure directionnelle de la zone de réaction : Contrôler la distribution du champ d’écoulement pour éviter les « coins morts » et les phénomènes d’hypoxie locale.

4. Capteurs en ligne et système de contrôle automatique

L'équipement standard comprend des sondes d'oxygène dissous, des sondes de pH, des capteurs de température, etc., pour assurer la collecte complète des données du processus ;

Connexion au système de contrôle PLC, ajustement automatique des stratégies d'aération et d'agitation en définissant des valeurs seuils d'oxygène dissous ;

Un mécanisme intelligent d'alarme et de régulation des anomalies permet de garantir que l'oxygène dissous fonctionne dans une plage optimale.

IV. Analyse de cas du contrôle de l'oxygène dissous

1. Contrôle de l'oxygène dissous dans l'expression des protéines recombinantes

Dans le système d'expression d'Escherichia coli, une grande quantité d'oxygène est nécessaire en fin de fermentation à haute densité. En remplaçant l'air par de l'oxygène pur, en augmentant la vitesse d'agitation à 600-800 tr/min et en élevant la pression dans la cuve à 0,1 MPa, la concentration en oxygène dissous a été maintenue entre 30 et 40 %, ce qui a permis d'accroître efficacement le niveau d'expression.

2. « Stratégie de limitation d'oxygène » dans la fermentation antibiotique

Certaines espèces de Streptomyces sont sensibles à l'oxygène à certaines étapes, comme la fermentation de l'érythromycine. Dans le dispositif expérimental, en réduisant progressivement la vitesse d'agitation ou en adoptant un mode de ventilation à apport d'oxygène limité, la voie métabolique a été réorientée vers la synthèse du produit plutôt que vers la croissance bactérienne.

V. Tendances de développement futures

• Intégration de systèmes de contrôle intelligents : systèmes de régulation adaptative de l’oxygène dissous basés sur l’IA ou la prédiction par modèle, permettant un apport d’oxygène dynamique plus efficace.
• Technologie des microbulles : Utilisation de bulles ultrafines pour améliorer le taux de transfert d’oxygène, dont l’efficacité a été vérifiée lors d’expériences et à l’échelle pilote.
• Cuves de fermentation modulaires : en fonction des besoins en oxygène des différents micro-organismes, les modules d’agitation, d’alimentation en gaz et de sonde peuvent être rapidement remplacés pour une personnalisation flexible.

Système de fermentation à l'échelle pilote MIKEBIO

Conclusion

En ingénierie de fermentation moderne, la maîtrise de l'oxygène ne se limite pas à l'ajustement d'un paramètre de procédé ; elle constitue un facteur déterminant de l'efficacité et de la qualité de la fermentation. Une stratégie de maîtrise de l'oxygène efficace, associée à une conception optimisée des cuves de fermentation, est indispensable à une production performante. Grâce aux progrès de la théorie du contrôle et des technologies d'équipement, la maîtrise de l'oxygène en fermentation biologique deviendra plus intelligente et plus précise, contribuant ainsi à la modernisation de l'industrie microbienne.

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