Les principes de transposition d'échelle du laboratoire à l'échelle industrielle en bioprocédés et les exigences de conception des cuves de fermentation

Introduction

La fermentation biologique est une étape fondamentale de la biotechnologie et de la bioproduction modernes, et trouve de nombreuses applications dans des domaines tels que la pharmacie, l'agroalimentaire, l'énergie et la protection de l'environnement. Le processus de fermentation débute généralement par des recherches à petite échelle en laboratoire, puis s'étend progressivement de l'échelle pilote à l'échelle industrielle, en passant par une production à échelle intermédiaire. Cependant, le volume des équipements, les conditions opératoires et les méthodes de contrôle diffèrent considérablement entre l'échelle du laboratoire et l'échelle industrielle. Sans principes de transposition d'échelle raisonnables et adaptés, il est impossible de transposer efficacement ces technologies à l'échelle industrielle. cuve de fermentation Une conception inadéquate peut entraîner une baisse de rendement, une contamination par des bactéries diverses ou une défaillance du procédé. Par conséquent, une compréhension approfondie des principes fondamentaux de la mise à l'échelle des procédés et des exigences qui en découlent est essentielle. cuve de fermentation La conception revêt une grande importance pour l'industrialisation des résultats de laboratoire.

Cet article partira des principes fondamentaux du passage à l'échelle industrielle dans le processus de fermentation, détaillera les méthodes courantes de passage à l'échelle industrielle, et les analysera et les synthétisera en les combinant aux exigences de conception des procédés typiques. cuves de fermentation.

I. Problèmes fondamentaux liés à la mise à l'échelle dans le processus de fermentation

fermentation en laboratoire Les essais se déroulent généralement dans des flacons agités ou de petites cuves de 100 mL à 10 L, tandis que la production industrielle requiert souvent des cuves de 10 m³ à 500 m³, voire plus. Le passage à l'échelle industrielle ne se limite pas à une simple modification des dimensions géométriques ; il implique également des problématiques complexes telles que la dynamique des fluides, les transferts de masse et de chaleur, et l'efficacité du mélange. Les principaux défis sont les suivants :

1. Diminution de la capacité de transfert d'oxygène : Comme le cuve de fermentation Lorsque le volume augmente, la surface relative de contact gaz-liquide diminue, ce qui entraîne une réduction significative du taux de transfert d'oxygène, pouvant devenir un facteur limitant.

2. Mélange non homogène : Le champ d'écoulement dans les grands réservoirs est complexe, avec des zones mortes et des gradients de concentration, ce qui entraîne une distribution inégale des nutriments et de l'oxygène dissous.

3. Transfert de chaleur difficile : Le métabolisme microbien génère une grande quantité de chaleur, tandis que l'efficacité de dissipation thermique des grands réservoirs est relativement faible. Un contrôle insuffisant de la température peut affecter la viabilité des micro-organismes.

4. Effet d'échelle : Des problèmes qui ne sont pas significatifs à l'échelle du laboratoire peuvent être amplifiés à l'échelle industrielle, comme la formation de mousse, les dommages causés aux micro-organismes par les forces de cisaillement, etc.

Par conséquent, l'établissement de principes de transposition d'échelle vise à maintenir la cohérence relative des principaux paramètres cinétiques entre les différentes échelles.

Bioréacteur de paillasse MIKEBIO à l'échelle du laboratoire

II. Principes communs de mise à l'échelle

Actuellement, en fermentation industrielle, il existe plusieurs principes et méthodes principaux de mise à l'échelle :

1. Principe de similitude géométrique

Conserver les proportions géométriques de cuve de fermentation Les paramètres restent inchangés, c'est-à-dire que le rapport hauteur/diamètre et le rapport du diamètre de la palette d'agitation au diamètre de la cuve demeurent constants. Cette méthode est pratique pour la conception et la fabrication des équipements, mais il est difficile de garantir des conditions cinétiques parfaitement identiques, notamment en ce qui concerne le transfert d'oxygène et l'efficacité du mélange, qui présentent souvent des variations.

2. Principe de similitude cinétique

Lors du processus de mise à l'échelle, veillez à maintenir constants les paramètres cinétiques liés au métabolisme, tels que :

• Coefficient de transfert d'oxygène volumique (k_L a) : Assurez-vous que la capacité d'approvisionnement en oxygène est équivalente à différentes échelles ;
• Rapport puissance d’agitation/volume (P/V) : Assurez-vous que l’environnement de mélange et de cisaillement est similaire ;
• Rapport débit/volume de gaz (Q/V) : Maintenir la similarité de l'environnement de transfert de masse gaz-liquide.

Cette méthode est plus proche des besoins physiologiques des micro-organismes, mais en pratique, elle nécessite souvent des compromis entre de multiples paramètres.

3. Principe de similitude à constante de temps

Il convient de s'intéresser aux échelles de temps des transferts de matière et d'énergie, comme le temps de mélange, le temps de rétention des bulles et le temps de réponse thermique. En ajustant ces temps caractéristiques au temps métabolique microbien, on peut éviter les carences locales en nutriments ou les déséquilibres thermiques.

4. Principe de mise à l'échelle global

Lors du passage à l'échelle industrielle, un principe unique ne suffit généralement pas à répondre pleinement aux exigences ; une stratégie globale est souvent adoptée. Par exemple, tout en garantissant k_L a, il convient de prendre en compte les rapports P/V et Q/V et d'optimiser le résultat par la régulation du procédé, les stratégies d'alimentation et l'apport d'oxygène par étapes.

III. Transition du laboratoire à l'usine pilote et à l'échelle industrielle

La mise à l'échelle comprend généralement trois étapes :

• Étape du laboratoire : La tâche principale consiste à sélectionner les souches, à déterminer la formulation du milieu de base et les conditions de culture. Cette étape utilise principalement de petits flacons agités et fermenteurs de table.
• étape de l'usine piloteLe volume est généralement compris entre 30 et 1000 L. L'objectif est de tester la transposabilité du procédé, d'optimiser les schémas d'agitation, d'aération et d'alimentation, et de recueillir des données d'ingénierie. Cette étape utilise principalement fermenteurs pilotes.
• Phase industrielle : Le volume se situe entre plusieurs dizaines et plusieurs centaines de mètres cubes. Il est nécessaire de prendre en compte des problématiques telles que la stabilité de l'exploitation à long terme, l'approvisionnement en matières premières, la maintenance des équipements et la maîtrise des coûts. Cette étape utilise principalement grands fermenteurs industriels.

Les données et l'expérience acquises à chaque étape constituent la base de la conception et de l'optimisation de l'étape suivante.

IV. Exigences de base pour la conception des cuves de fermentation

Le cuve de fermentation La cuve de fermentation est l'équipement central du processus de fermentation, et sa conception influe directement sur la croissance des micro-organismes et la synthèse des produits. Une conception appropriée de la cuve de fermentation doit répondre aux exigences suivantes :

1. Conception structurelle

• Matériau : Généralement, l'acier inoxydable (tel que le 316L) est utilisé pour assurer la résistance à la corrosion et la facilité de nettoyage.
• Proportion géométrique : Le rapport hauteur/diamètre est souvent compris entre 2:1 et 3:1, ce qui est propice à la dispersion gaz-liquide et au transfert de masse.
• Accessoires pour cuves : comprennent les dispositifs d’agitation, les systèmes de ventilation, les enveloppes de refroidissement ou les serpentins internes, les ports d’échantillonnage, les systèmes de stérilisation, etc.

2. Mélange et système de mélange

• Type de pale d'agitation : Les types courants comprennent les pales de turbine circulaires à six pales, les pales d'hélice, etc., qui doivent être sélectionnées en fonction des caractéristiques du micro-organisme.
• Puissance d'agitation : Elle doit équilibrer l'efficacité du mélange et la force de cisaillement, assurant le transfert d'oxygène tout en évitant d'endommager les micro-organismes.
• Conception des chicanes : Généralement, 4 chicanes sont utilisées pour éviter les vortex de liquide et améliorer l’efficacité du mélange.

3. Ventilation et transfert d'oxygène

•  Système de ventilation : Comprend des aérateurs poreux ou des aérateurs annulaires pour augmenter la dispersion des bulles.
•  Taux d’utilisation de l’oxygène : le débit de gaz doit être conçu en fonction du taux de demande en oxygène du micro-organisme, généralement exprimé en vvm (volume de gaz/volume de liquide·minute).
•  Alimentation en oxygène sous pression : Dans les cultures à haute densité, le niveau d'oxygène peut être augmenté en augmentant la pression du réservoir.

4. Système de transfert de chaleur et de régulation de la température

• Enveloppes de refroidissement et serpentins internes : utilisés pour dissiper la chaleur métabolique.
• Précision du contrôle de la température : Généralement, elle doit être contrôlée à ±0,5 ℃ près.
• Considérations relatives à l'échelle : les grands réservoirs ont des difficultés à dissiper la chaleur ; la zone de refroidissement doit donc être répartie de manière raisonnable.

5. Stérilisation et exigences de stérilité

• Stérilisation in situ (SIP) et Systèmes de nettoyage en place / CIP sont indispensables ;
• Toutes les vannes et interfaces doivent éviter les zones mortes afin de réduire le risque de contamination par des bactéries étrangères.

6. Contrôle de la mousse

• Antimousse mécanique ou chimique : pour empêcher la mousse d’affecter la ventilation et la surveillance.
• Commande de la liaison de la sonde à mousse : L’ajout automatique d’antimousse est possible.

7. Automatisation et surveillance

• Surveillance en ligne : pH, oxygène dissous (OD), température, vitesse d'agitation, débit de gaz, etc. ;
• Contrôle avancé : par exemple, le réglage automatique du débit d’alimentation, le contrôle de la compensation d’oxygène, la collecte de données et l’analyse des processus.

V. Analyse de cas : passage à l'échelle supérieure de la fermentation antibiotique

Prenons l'exemple de la production d'antibiotiques : les expériences en laboratoire utilisent généralement… Cuves de fermentation de 5 L Afin d'optimiser les conditions de procédé, il est important de noter que lors du passage à des cuves industrielles de 100 m³, un manque d'oxygène est souvent constaté. En augmentant le nombre d'agitateurs, en améliorant la répartition des orifices de ventilation, en augmentant modérément la pression dans la cuve et en adoptant une méthode d'alimentation par lots, il est possible de maintenir efficacement le niveau métabolique des bactéries lors de la production à grande échelle et de stabiliser le rendement.

VI. Tendances futures

• Avec le développement de la biologie synthétique et de la fabrication intelligente, l'industrialisation des procédés de fermentation et la conception de cuves de fermentation ont présenté de nouvelles tendances :
• Intelligence artificielle : Utilisation des réseaux de capteurs et de la modélisation des mégadonnées pour parvenir à une prédiction et un contrôle précis.
• Équipements modulaires : facilitant une combinaison rapide et une mise à l’échelle flexible.
• Écologique et à faible consommation d'énergie : grâce à l'optimisation des méthodes de mélange et de ventilation, on réduit la consommation d'énergie et les émissions de dioxyde de carbone.
• Réacteurs biologiques à usage unique : utilisés dans certaines productions pharmaceutiques, ils permettent d’éviter les étapes de nettoyage et de stérilisation.

Système de fermentation industrielle à grande échelle MIKEBIO 

Conclusion

Le passage de la fermentation du laboratoire à l'échelle industrielle est une étape cruciale pour le succès de la bioproduction. Des principes de transposition d'échelle pertinents doivent prendre en compte des facteurs tels que le transfert d'oxygène, le mélange et le transfert de chaleur, et être optimisés en continu. Parallèlement, la conception des cuves de fermentation, équipement essentiel, doit répondre à de multiples exigences, notamment la stérilité, le transfert de masse, le transfert de chaleur et la contrôlabilité. Avec le développement de nouvelles technologies, l'automatisation et le développement durable deviendront des axes majeurs pour l'ingénierie de la fermentation de demain.

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