La conception des bioréacteurs dépend principalement du mode d’approvisionnement énergétique et de l’aération du milieu. Selon ces critères, les bioréacteurs peuvent être classés selon les types suivants :
- Bioréacteurs avec alimentation en énergie de la phase gazeuse
- Bioréacteurs avec alimentation en énergie de la phase liquide
- Bioréacteurs à alimentation énergétique combinée
Bioréacteurs avec alimentation en énergie de la phase gazeuse
Dans ce type de bioréacteur, l’aération et le mélange du milieu de culture sont assurés par de l’air comprimé, introduit dans le système sous une pression spécifique. Parmi ces procédés, on trouve :
- Réacteurs à bulles : l’air est fourni par des dispositifs à bulles situés au bas de l’appareil, assurant un échange gazeux efficace.
- Bioréacteurs à air comprimé (à diffuseur) : ils contiennent un cylindre-diffuseur interne qui facilite le mélange du substrat et de l’air, qui entre par des tuyaux de distribution dans la partie inférieure du système.
- Bioréacteurs tubulaires (à gaz) : ils sont constitués d’une structure à calandre et à tubes, dans laquelle le liquide monte à travers un flux d’air, entre dans un séparateur et revient pour être recirculé.
- Bioréacteurs à distribution d’air par buses : équipés de buses d’alimentation en air dans la partie inférieure et d’un diffuseur au-dessus, assurant la circulation interne du liquide.
- Bioréacteurs de type colonne : Colonnes cylindriques segmentées par des plaques horizontales, où des bulles d’air traversent chaque couche liquide, permettant un mouvement à contre-courant des phases liquide et gazeuse.
Bioréacteurs avec alimentation en énergie de la phase liquide
Dans ces systèmes, l’énergie est introduite directement dans la phase liquide, avec des conceptions notables incluant :
- Appareil à turbine auto-amorçante : Composé d’un diffuseur cylindrique et d’un agitateur à pales creuses, ce système génère un vide lors de la rotation, aspirant de l’air pour favoriser la circulation du liquide.
- Bioréacteurs à agitateur turbo-éjecteur : Dotés de cloisons verticales qui divisent le bioréacteur en sections, chacune contenant un agitateur à turbine auto-amorçant et un diffuseur, facilitant le mouvement du liquide entre les sections.
Bioréacteurs à alimentation énergétique combinée
Ces bioréacteurs intègrent l’alimentation énergétique des phases gazeuse et liquide, garantissant une aération et un mélange optimisés. Le système se compose généralement d’une cuve cylindrique équipée d’un agitateur mécanique et d’un barboteur, placé sous le niveau inférieur de l’agitateur.
Classification des bioréacteurs par méthode de mélange
Les bioréacteurs peuvent également être classés en fonction de leurs mécanismes de mélange :
- Mélange mécanique : utilise un arbre central et des pales de formes variées. L’aération peut être améliorée par barbotage, un vibrateur mécanique contribuant à la dispersion de l’air en fines bulles.
- Mélange pneumatique : Le mélange et l’aération sont optimisés grâce à des disques rotatifs perforés ou à des hélices inférieures. Certains modèles intègrent un diffuseur placé au-dessus du barboteur.
- Mélange à circulation : il s’agit de pompes ou d’éjecteurs qui génèrent un flux de liquide dirigé à travers un circuit fermé. Certains modèles combinent mélange pneumatique et à circulation, comme les systèmes à « jet tombant » et à « jet immergé », ainsi que le mélange par éjecteur. Les systèmes à circulation contiennent souvent des matériaux de remplissage solides pour améliorer l’efficacité du mélange.
Considérations structurelles et opérationnelles
Les bioréacteurs sont généralement des récipients cylindriques hermétiques, dont le rapport hauteur/diamètre est de 2:1 ou 2,5:1. L’acier inoxydable est le matériau de construction privilégié, garantissant durabilité et stérilité. La régulation de la température est assurée par un échangeur de chaleur à double enveloppe ou à serpentin.
Considérations relatives à la stérilité et aux performances
Le maintien de la stérilité est crucial pour le fonctionnement des bioréacteurs. Pour ce faire, ils sont conçus pour être étanches à l’air, avec toutes les canalisations et surfaces internes accessibles pour la stérilisation à la vapeur à haute température. Le volume utile d’un bioréacteur ne dépasse généralement pas 70 % de sa capacité totale.
Le choix du bioréacteur dépend des exigences spécifiques du procédé biotechnologique, notamment de la nature du micro-organisme, des propriétés du milieu et de la faisabilité économique. Pour les procédés aérobies, l’efficacité de l’aération est essentielle. Les taux de transfert d’oxygène doivent être optimisés en évaluant l’équilibre entre l’apport d’oxygène de la phase gazeuse et son transfert de masse vers le milieu liquide, ainsi que la consommation d’oxygène par les micro-organismes et son élimination du système.
Le taux de transfert d’oxygène de la phase gazeuse à la phase liquide est défini par le taux d’absorption volumétrique et peut être exprimé par l’équation :
dC/dt = KLa (Cp – C),
où:
- KLa est le coefficient de transfert de masse volumétrique à l’interface gaz-liquide,
- Cp représente la concentration d’oxygène à l’équilibre dans le milieu,
- C est la concentration instantanée réelle en oxygène dans le milieu.
En optimisant ces paramètres, les bioréacteurs peuvent réaliser un transfert de masse efficace, garantissant une croissance microbienne optimale et des performances de bioprocédés.
