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Modes d’opération des bioréacteurs
A. Garnier
GCH-2103
A-2010
Mode d’opération
Système fermé: cuvée (batch)
•Aucune entrée ou sortie
•Régime transitoire
•dX/dt = rX, dS/dt = rS
•À t = 0, X = X0, S = S0
Cuvée alimentée (Fed-batch)
•Alimentation seulement
•Régime transitoire
•À t = 0, V= V0, X= X0, S= S0
•F sera contrôlé de manière à maintenir S constant, S=S0=Sc
•Si S est constant, le sera aussi, = c
F(t), Sin
V, X, S
Chemostat (continu, CSTR)
F, Sin
V, X, S, P
F, S, X, P
•Une entrée, une sortie
•Mélange idéal: Xout = X, Sout = S, Pout = P
•Après une période initiale d’adaptation, ce système atteindra un régime permanent:
V= cst, X= cst, S= cst, P= cst
Chemostat avec recirculation
F F(1+w)
V, X
Bioréacteur Décanteur
F(1+w)
wF, Xx
Fc, Xc
Fex, Xx
•Permet de concentrer les cellules dans le bioréacteur•Permet de repousser le lavage•Développement pour X seulement
Cuvée alimentée (Fed-batch)
•Alimentation seulement
•Régime transitoire
•À t = 0, V= V0, X= X0, S= S0
•F sera contrôlé de manière à maintenir S constant, S=S0=Sc
•Si S est constant, le sera aussi, = c
F(t), Sin
V, X, S
Cuvée alimentée (Fed-batch)
3 bilans seront nécessaires pour obtenir un modèle de ce système:
F
dt
dV dtFVV
t
00
tV
VdtFdV
00
VX
dt
XVd
VXdt
XdV
dt
VdX
F
…. )()(
)()()()( tVtX
dt
tXdtVtFtX
Cuvée alimentée (Fed-batch)
VXdt
VXd
dt
VX
VXdc
t
c
XV
VXdtVXd
VX 000
1
tVX
VXc
00
ln tceVXVX 00
Cuvée alimentée (Fed-batch)
VX
YSF
dt
VSd
sx
cin
/
VX
YSF
dt
VdS
dt
SdV
sx
cin
/
F0
VXY
SSFsx
ccin
/
cinsx
c
SSY
VXF
/
t
cinsx
c ceSSY
VXF
/
00
Cuvée alimentée (Fed-batch)
tceVXVX 00
t
cinsx
c ceSSY
VXF
/
00
dtFVVt
00 dte
SSY
VXVV
t t
cinsx
c c
0
/
000
11
/
00
t
cinsx
ceSSY
XVV
11/
0
0
t
cinsx
t
c
c
eSSY
X
eXX
Chemostat (continu, CSTR)
En résumé:
SSinYX sx /
DKD
SMAX
S
XD
P
Où D*P = productivité cellulaire!
Chemostat idéal: synthèse de P
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
10,00
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
D
X, S
, P
0
0,5
1
1,5
2
2,5
D*P
S
X
P
D*X
max=1
Ks=1
Yx/s=1
Sin=5=0,3=0,1
Dlavage=max*Sin/(Ks+Sin)
Sin
Chemostat (continu, CSTR)
Productivité cellulaire:– D ((L/min) / L de culture) * X (g de cellule/L)=
Productivité (g de cellules/(min*L de culture)–
Productivité en produit:–
Sin
S
KS
KXD 1* maxmax
XXDXDPD *
Chemostat –effet de la maintenance
Bilan X: = D inchangé Cinétique: inchangée Bilan S:
VXmY
SFSinFdt
dSV
G
0
mYD
SSDX
G
in )(
Chemostat –effet de la maintenance
Chemostat avec effet de maintenance
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
D
X, S
S
X
X+maint
max=1
Ks=1
Yg=1
Sin=5
m=0,1
Chemostat –effet de la mortalité
Bilan X:
Cinétique:
Bilan S:
XkXDXdt
dXd 0 dkD
MAX
SKS dMAX
Sd
kD
KkDS
XY
SSinDsx
/
X
Y
kD
sx
d
/
SSinYkD
DX sx
d
/
Chemostat –effet de la mortalité
Chemostat avec effet de mortalité
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
5,00
0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000
D
X, S
S
S+mort
X
X+mort
max=1
Ks=1
Yx/s=1
Sin=5
kd=0,1
mYD
SSDX
G
in )( SSinY
kD
DX sx
d
/+ = dkYm
Chemostat avec recirculation
F F(1+w)
V, X
Bioréacteur Décanteur
F(1+w)
wF, Xx
Fc, Xc
Fex, Xx
•Permet de concentrer les cellules dans le bioréacteur•Permet de repousser le lavage•Développement pour X seulement
Chemostat avec recirculation
Bilan sur les cellules du bioréacteur:
XFwXVFwX X 10
DwX
XDw X 1
X
XwD X11
Chemostat avec recirculation
Bilan sur les cellules dans le séparateur:
XexCC XFwFXFXFw 1
X
XFwF
X
XFFw X
exCC
1
FwF
XXF
Fw
X
X
ex
CC
X
1
wFF
w
X
X
ex
X 10
Chemostat avec recirculation
CSTR avec recirculationD/ vs w pour différents Fex/(Fex+wF)
-
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
0 0,5 1 1,5 2
w
D/
Fex/(wF+Fex)=0,1
Fex/(wF+Fex)=0,25
Fex/(wF+Fex)=0,5
