Faculté Polytechnique

BioSys: de la modélisation à la commande des bioprocédés

Prof. Alain Vande Wouwer - CoordinateurDr. Laurent Dewasme – Coordinateur adjoint

BioSys

Université de Mons2

Biomedical Systems& Technologies

Biochemical Systems & Processes

Institut des Sciences & Technologies de la

SantéInstitut des Biosciences

Centre de recherche BioSys

Engineering

BIO = « Relatif au Vivant »

BioSys

Université de Mons

Biomedical Systems & Technologies

Biochemical Systems & Processes

Compétences transversales

Traitement duSignal

Mécanique rationnelle

Mathématique et Recherche

opérationnelle

Géologie

Chimie et Biochimie Appliquées

Génie Chimique

Mécanique des Fluides

Informatique

Automatique

Thermodynamique

Université de Mons

• Supervision et contrôle de cultures bactériennes/de levures

• Supervision et contrôle de cultures micro-algales • Supervision et contrôle de cultures cellulaires• Modélisation mathématique de cultures de

champignons• Modélisation mathématique de la digestion

anaérobie• Optimisation de la séparation de sucres par

chromatographie à lit mobile simulé• Modélisation et contrôle d’un système

d’aquaculture à recirculation

Quelques exemples d’applications biotechnologiques

Université de Mons

• Supervision et contrôle de cultures bactériennes/de levures

• Supervision et contrôle de cultures micro-algales • Supervision et contrôle de cultures cellulaires• Modélisation mathématique de cultures de

champignons• Modélisation mathématique de la digestion

anaérobie• Optimisation de la séparation de sucres par

chromatographie à lit mobile simulé• Modélisation et contrôle d’un système

d’aquaculture à recirculation

Quelques exemples d’applications biotechnologiques

Université de Mons

Supervision de cultures cellulaires

6

Milieud‘alimentation

Débit entrant (Fin)

Milieu de culture

Mélangeur

Pales

Unitéde

contrôle

Pompepéristaltique

Moteur

Base Acide

Aération

Bulleur d’air(barboteur)

Analyseurde gaz

Colonne derefroidissement

Gaine chauffante

Cellule de rétention

Récolte

Purge

Débit sortant (Fout)

Université de Mons

• Avantages• Alimentation en substrat et élimination des produits

métaboliques toxiques (ammonium, lactate) en continu• Possibilité d’atteindre un état d’équilibre de fonctionnement• Régulation du pH via une moindre addition de base• La rétention des cellules à la sortie de la perfusion permet

d’atteindre de plus hautes densités cellulaires pour un volume de réacteur limité

• Inconvénients• Possibles pertes de milieu de culture (non utilisé et très cher)• Dilution du produit d’intérêt dans le traitement en aval

Supervision de cultures cellulaires

Université de Mons

Equations de bilan de masses

transportreaction

1 1 2 1

IN2 1 3 2 2

IN3 1 3 3

4 1 3 4

5 1 5

r r bl DBiomassa r r D DGlucose

Glutamine b r D DLactate c r d r D

Ammonia e r D

321 max 1 1 1

Glc 2 Gln 3

d,max d,Gln2 1 2 1

d,Gln 3max d,Lac 4 max d,Amm 5

23 Glc 1 3 1

m,Glc 3

rk k

k kr

kk k

r mk

Xv/Glc

Xv/Gln

Lac/Glc Xv/Glc

Lac/Glc

Amm/Gln Xv/Gln

parametersa,b,c,d,e 0a 1 / Y

b 1 / Y

c Y / Y

d Y

e Y / Y

bl=FB/FIN

D=FIN/V

FP: débit de perfusion (sans cellules)

FB: purge

FIN

Identification d’un modèle de cultures cellulaires

Université de Mons

Identification d’un modèle de cultures cellulaires

d,Amm Gln Glc d,max Amm/Gln Amm,1 Gln,1 Xv/Gln Gln,1

d,Gln d,Lac m,Glc Glc max Lac/Glc Lac,1 Glc,1 Xv/Glc Glc,1

; k ; k ; k ; k ; ; Y ; Y ;; k ; k ; k ; m ; ; Y ; Y

Tnm ne ns

1ij meas,ij ij ij meas,ij

i 1 j 1

J x x Q x x

Sur base de cette distance, un algorithme d’optimisation recalcule les paramètres pour une nouvelle prédiction. Cette procédure se répète jusqu’à ce qu’un critère de tolérance soit atteint.

PROCÉDURE D’IDENTIFICATION

Proposition de valeurs initiales des paramètres; Prédictions du modèle (simulations); Estimation de la distance de ces prédictions par rapport

aux données expérimentales: calcul d’une fonction de coût J.

16 paramètres!

Université de Mons

Mise au point d’une boucle de contrôle basée sur un modèle

Se basant sur les concentrations transmises

par le spectrophotomètre NIR, le système

d’échantillonnage commande les pompes de

supplémentation du bioréacteur.

UPLC

Sonde proche infrarouge

Contrôle de cultures cellulaires

Corrélation

Université de Mons

Mesures:• Concentration cellulaire• Concentration de glucose

Variables manipulées:• Taux de dilution• Débit de perfusion

Variables contrôlées:• Concentration cellulaire• Concentration de glucose

BioréacteurCONT3

OBS1

CONT1

CONT2

Autotuner

Autotuner

OBS2

Structure ne faisant pas appel à l’entièreté du modèle

Contrôle de cultures cellulaires

Université de Mons

• Supervision et contrôle de cultures bactériennes/de levures• Supervision et contrôle de cultures micro-algales • Supervision et contrôle de cultures cellulaires• Modélisation mathématique de cultures de champignons• Modélisation mathématique de la digestion anaérobie• Optimisation de la séparation de sucres par chromatographie à lit

mobile simulé• Modélisation et contrôle d’un système d’aquaculture à recirculation

Quelques exemples d’applications biotechnologiques

Université de Mons

Contrôle d’un système d’aquaculture à recirculation (RAS)

But: recirculation et purification de plus de 90% de l’eau (niveaux limités d’ammonium et de nitrates)Besoin de filtrer cette quantité d’eau:- Mécaniquement: filtres à particules- Biochimiquement: filtres membranaires, biofiltres

>90%

H2O

< 10%Biofiltre

Ci0,Xj0

u,T

Ci, Xj

u,T

Université de Mons

Biofiltration – Valeurs recommandées

ParamètrePoisson-

chat africain

Anguille européenne Tilapia Truite

T (°C) 25-27 23-26 24-30 10-18

O2 (g/m3) 3-8 >6 4-6 6-8

CO2 (g/m3) <25 <25 40-50 20-30

Matières solides en

suspension (g/m3)

<25 <25 <15 <10

NH3-N (g/m3) <0.05 <0.05 <0.06 <0.02

NH3-NH4+

(g/m3) <8 <8 <3 <1

NO2-N (g/m3) <0.1 >15 <1 <0.1

NO3-N (g/m3) <100 <100 - -

Chlorures (g/m3) - - >200 >200

Université de Mons

Biofiltration - Nitrification

NH4+

O2

NO3-

NO2-

Nitrosomonas Nitrobacter

HCO3-

Université de Mons

Biofiltration - Dénitrification

NO3-

NO2-

Csource

N2

CH3OHCH3COOHBiomass

O2

HCO3-

Université de Mons

Modélisation et contrôle d’un RAS industriel

Université de Mons

Réacteurmembranaire

Réacteur de nitrification

Réacteur de dénitrification

Aquarium

RAS – Conception d’un procédé pilote

Université de Mons

Quelques réalisations durables

Installation d’un labo de chromatographie par SMB – collaboration avec l’ULB et MPI Magdeburg

Installation de trois labos de cultures de bactéries, micro-algues et cellules animales – collaborations avec ULB, INRIA Sophia Antipolis, KUL

Installation (en cours) d’un labo dédicacé environnement (épuration d’eau avec réacteur membranaire et biofiltres et digestion anaérobie d’algues) - collaboration UCL, INRA montpellier

Université de Mons

BioSys participe aux appels à projets

• RW (PPP, Pôles de Compétitivité, WBGreen(Health), First, Recherche Collective, BEWARE…)– http://spw.wallonie.be/

• EU (Horizon 2020, ERA-NET, EUROSTARS,…) – http://cordis.europa.eu/home_fr.html

• FNRS (FRIA, Projets de Recherche, …)– http://www2.frs-fnrs.be/

• BELSPO (Echanges)• UMons (Cotutelle 50/50, …)

Université de Mons 21

4MERCI POUR VOTRE ATTENTION!

BioSys