Etude de milieux de culture complexes et évolutifs par développement de mesures physiques en ligne

par Yannick Manon

Thèse de doctorat en Ingénierie Microbienne et Enzymatique

Sous la direction de Luc Fillaudeau et de Dominique Anne-Archard.

Soutenue le 08-02-2012

à Toulouse, INSA , dans le cadre de École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse) , en partenariat avec Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés (laboratoire) .

Le président du jury était Alain Line.

Le jury était composé de Luc Fillaudeau, Dominique Anne-Archard, Isabelle Seyssiecq-guarente.

Les rapporteurs étaient Jean-francois Maingonnat, Christine Moresoli.


  • Résumé

    Durant les cultures cellulaires en bioréacteur, la physiologie des micro-organismes et les paramètres physico-chimiques (alimentations en gaz et en substrat, agitation, température, pH, pression) interagissent très fortement. La spécificité des bioréactions microbiennes, en relation avec les couplages irréductibles entre les transferts de chaleur, de matière et de quantité de mouvement, réside dans la complexité (milieu triphasique) et la dynamique (bioréaction autocatalysé) de ces systèmes. L’objectif de ce travail est de progresser dans la compréhension et le contrôle dynamique des intéractions entre les aspects biologiques et les aspects physiques à différentes échelles (macro, micro et moléculaire) pour conduire la réaction biologique vers l’objectif défini (production de biomasse, de métabolites intra ou extra cellulaires, …) et l’optimiser. Les cellules (concentration, forme, dimension, physiologie, …) affectent fortement les propriétés physico-chimiques des moûts et par conséquent, les performances des bioprocédés (vitesses spécifiques, rendements, productivité). Le comportement rhéologique particulier du moût est souvent utilisé pour comprendre l’impact de la biomasse microbienne sur le rendement et les performances du bioprocédé.Dans ce travail, des cultures axéniques, définies comme des cultures pures de microorganismes unicellulaires procaryote et eucaryote, sont considérées. Notre approche s’appuie sur des mesures physiques et physico-chimiques en ligne et hors ligne réalisées sur un bioréacteur instrumenté, mesures qui sont mises en place de façon à respecter les conditions imposées par les contraintes biologiques propres aux microorganismes et à la stratégie de culture choisie. Des cultures d’Escherichia coli et d’Yarrowia. lipolytica, à taux de croissance controlé par l’apport de substrat, ont été réalisées dans une gamme de concentration allant de 0.1 à 100 g l-1. Le bilan qui peut être dressé pour ce travail, tant sur les aspects scientifiques que technologiques, est le suivant :- conception et réalisation d’un outil d’investigation original construit sur la base d’un bioréacteur (20 l) et pourvu d’une boucle de recirculation instrumentée pour la mesure,- identification hydrodynamique (courbes de frottement) de conduites calibrées permettant la viscosimétrie en ligne durant une culture cellulaire, - conception, développement et validation d’un code, LoCoPREL, permettant simultanément le contrôle de la culture cellulaire suivant une stratégie définie, la gestion de séquences de débit dans la boucle de dérivation et l’acquisition des données issues de l’instrumentation spécifique employée,- comparaison des mesures réalisées en ligne à débit constant ou selon des séquences de débit,- mise en évidence du comportement non newtonien des moûts et d’écarts entre les mesures en ligne et hors ligne,- analyse des mesures physiques réalisées en ligne et hors ligne, en lien avec les performances de la culture

  • Titre traduit

    Study of complex and evolving culture media by development of on-line physical measurements


  • Résumé

    During cell cultures in bioreactors, micro-organism physiology closely interacts with physico-chemical parameters such as gas and feed flowrates, mixing, temperature, pH, pressure. The specificity of microbial bioreactions in relation with irreductible couplings between heat and mass transfers and fluid mechanics, led into complex (three-phase medium) and dynamic (auto-biocatalytics reaction) systems. Our scientific approach aims to investigate, understand and control dynamic interactions between physical and biological systems at different scales (macro, micro and molecular) for molecules, strains and/or bioprocess innovation. Cells (concentration, shape, dimension, physiology…) strongly affect physico-chemical properties of broth. Then the modification of these characteristics interacts with bioprocess performances (specific rates, yields…) with an improvement or, more frequently, a decrease of yields. Among these properties, rheological behaviour is a strategy widely used to understand the impact of cells and the derivation of bioprocess performances.In this manuscript, axenic cultures, defined as cultures of a pure and unicellular Prokaryote and Eukaryote microorganisms in bioreactors, are considered. Our approach is based on physical and physico-chemical on-line and off-line measurements in respect with accurate and stringent conditions imposed by cell culture strategy. Escherichia coli and Yarrowia lipolytica cultures were investigated with a control of growth rate by carbon feed in the range from 0.1 up to 100 g l-1. Our scientific and technical actions and results led:- to design and realize an original pilot based on a bioreactor (20 l) with a derivation loop including a specific on-line rheometric device as well as additional physical and biological measurements,- to identify, from a hydrodynamic standpoint, the generalized friction curves of calibrated ducts enabling on-line viscosimetry during cell cultures,- to conceive and validate a homemade software, named LoCoPREL, enabling simultaneously to control cell cultures under defined strategy and to manage flow sequences within the derivation loop,- to discuss and compare on-line physical measurements under constant flow rate and various sequence strategy related to investigated shear-rates,- to highlight about the non-newtonian rheological behaviour of broths and the gap between on-line and off-line measurements,- to analyse on-line and off-line physical measurements in the light of biological performances during fed-batch cultures (mass balance, specific rate, yield).


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