Processus de fermentation
Une augmentation rapide des quantités produites grâce à la multiplication efficace des bactéries dans les bioprocédés n'est généralement possible que par l'activation de capacités existantes, jusque-là inutilisées, c'est-à-dire par une extensification de la production.
L'intensification des processus de fermentation aérobie échoue souvent parce que les micro-organismes ne peuvent pas être alimentés en oxygène dissous en quantité suffisante. Une augmentation de la production allant au-delà ne peut souvent être obtenue qu'en construisant de nouveaux réacteurs, ce qui implique de longs délais de planification et des coûts d'investissement élevés.
Le gazage à l'oxygène pur offre une solution efficace et rentable.
Avantages du gazage à l'oxygène pendant la fermentation dans le bioréacteur
Augmenter la densité cellulaire
L'avantage le plus important est l'apport considérablement amélioré d'oxygène dissous au processus de fermentation aérobie. Cela permet d'augmenter la densité cellulaire sans conduire temporairement à des conditions anaérobies et donc d'inhiber le processus biologique.
L'augmentation de la pression partielle d'oxygène est particulièrement efficace dans la phase de croissance exponentielle, dite phase logarithmique, au cours de laquelle la multiplication des bactéries atteint son maximum.
Lorsque l'on cultive des densités cellulaires très élevées dans le fermenteur à cuve agitée habituel, on est confronté à des problèmes d'inhibition de la croissance dus à des concentrations initiales excessives de substrat, à la consommation de composants essentiels du milieu nutritif au cours de la culture, à la formation de sous-produits métaboliques inhibiteurs et à la capacité limitée de l'approvisionnement en oxygène.
La demande croissante en oxygène d'une culture à haute densité cellulaire pour la production de protéases détergentes et d'autres produits peut être satisfaite par différentes stratégies. Il s'agit notamment de l'augmentation de la vitesse d'agitation et du taux d'aération, de l'apport d'air enrichi en oxygène, de l'aération à l'oxygène pur et de la culture à basse température et sous pression élevée.
Réduire la capacité de mélange avec de l'oxygène pur
En raison de la bonne solubilité de l'oxygène pur, la capacité de mélange peut souvent être étranglée à une concentration constante d'oxygène dissous. D'une part, cela peut entraîner une réduction des coûts énergétiques et, d'autre part, réduire la contrainte de cisaillement (contrainte due à la charge mécanique) pour les micro-organismes. Ce dernier permet d'augmenter les performances des cultures sensibles. Les cultures cellulaires très sensibles bénéficient de systèmes spéciaux d'injection de gaz qui réduisent l'apport énergétique au minimum.
L'oxygène peut être introduit dans la phase aqueuse complètement ou proportionnellement sans bulles par une invention brevetée par Air Liquide.
Éviter la formation de mousse
Dans de nombreux cas, une partie non négligeable du volume du réacteur est perdue en raison de la formation massive de mousse. La raison en est généralement le grand volume d'air nécessaire pour ventiler les organismes. Lorsque l'on utilise de l'oxygène pur, le lest d'azote de l'air est supprimé, le volume de gaz introduit diminue, de sorte que la hauteur de mousse peut être fortement réduite et qu'il est possible de créer une capacité de production supplémentaire. Pour des raisons économiques, la conversion en oxygène pur n'est généralement pas complète, mais seule une partie de l'oxygène de l'air est remplacée par de l'oxygène pur. Un effet secondaire positif est que les agents antimousse auparavant nécessaires peuvent souvent être économisés dans le bioréacteur.
Sécurité des installations et des processus dans l'alimentation en oxygène du bioréacteur
La planification technique du projet est réalisée par les spécialistes de Carbagas et commence bien avant que le système d'injection de gaz ne soit dimensionné pour votre installation. Même pendant les essais préliminaires à l'échelle du laboratoire, l'ingénieur de projet est là pour donner des conseils sur les questions d'ingénierie des installations et des processus.
Une attention particulière est accordée à la sécurité des installations : des études HAZOP (HAZOP = Hazard and Operability, en Allemagne PAAG) sont réalisées en collaboration avec l'exploitant de l'installation, dans lesquelles tous les composants de l'installation, les matières premières et les produits sont analysés quant à leur réactivité en relation avec l'oxygène pur.
Outre la sécurité des installations, la sécurité des processus revêt également une grande importance : en fonction de la stérilité requise du processus de fabrication, l'apport de gaz est adapté aux conditions respectives.
En outre, Carbagas propose une surveillance des gaz en cours de fabrication qui permet de détecter rapidement les changements dans les processus de production.
Un exemple de ceci est l'accumulation de dioxyde de carbone dans la phase liquide, qui - selon le type d'organisme - peut conduire à une inhibition des flux de processus biologiques.
En outre, les conditions thermodynamiques sont prises en compte. Dans le cas de réactions fortement exothermiques, une augmentation de la production entraîne également une augmentation de la puissance de refroidissement nécessaire pour maintenir le processus à la température optimale.
