Les paragraphes 3.1 et 3.2 présente brièvement et le plus simplement possible, le principe de fonctionnement d’un lit fluidisé. Une description plus complète se trouve au chapitre 4.
3.1.Définition du lit fluidisé
La fluidisation est un procédé utilisé en génie chimique permettant de maintenir des particules solides en suspension dans un fluide sans qu’il y ait de déplacement d’ensemble (126) (127) (128). Cet état rend possible la mise en contact entre la phase solide et le fluide environnant. Les lits fluidisés présentent comme avantage de pouvoir fonctionner en système ouvert ou fermé. De plus, la température est constante au sein du bioréacteur. Le choix d’un tel système se fait en fonction de ses qualités hydrodynamiques et de la possibilité de mise en contact entre phases.
Le mouvement global du lit fluidisé est nul : il reste dans un volume caractéristique de son expansion pour une vitesse donnée (Figure 21). Les billes circulent en boucle dans le lit avec une ascension au centre et une descente le long des parois (126). Ceci est vrai pour une distribution homogène des vitesses sur la section. Le lit de billes dans le bioréacteur doit présenter un comportement principal de fluidisation homogène sous l’action du flux ascendant. Les performances d’un lit fluidisé dépendent de son expansion caractéristique qui influence les conditions de transfert de matière et le temps de contact entre les deux phases (128).
Figure 21 : Représentation schématique du lit fluidisé en configuration tassée à gauche et en fluidisation à droite
3.2.Le foie bioartificiel à Lit fluidisé : état de l’art
Les travaux précédemment réalisés dans notre laboratoire à la définition du cahier des charges du foie bioartificiel en accord avec notre partenaire (INSERM U456 Rennes). Ceci s’est traduit par la réalisation d’un prototype de bioréacteur à lit fluidisé et la définition d’un cahier des charges(en accord avec l’unité INSERM U 456 de Rennes) :
• Le débit plasmatique traversant le bioréacteur est compris entre 30 et 50 ml/min.
• Les billes d’alginate ont un diamètre d = 1±0,2 mm et ont un volume apparent total compris entre 300 et 400 ml.
• Le volume doit être contrôlé et le plus faible possible.
• La perfusion du plasma entre les billes d’alginate doit être correcte pour favoriser les interactions entre les hépatocytes et les éléments plasmatiques. • L’enceinte du bioréacteur doit être maintenue à 37°C.
• La durée d’utilisation est de 6 heures.
Les billes d’alginate sont placées dans un bioréacteur de forme cylindrique et restent confinées dans son enceinte. Le système développé dans notre laboratoire par E. Doré (67) (1) se présente sous forme d’une colonne cylindrique munie à sa base d’une buse avec plusieurs jets radiaux et une grille de répartition afin de répartir sur toute la section le flux
plasmatique ascensionnel qui provoque la fluidisation des billes ; celle-ci est progressive, par passage d’une phase de régime dynamique à une phase de fluidisation complète. Le principe de fonctionnement du système est basé sur la possibilité pour certains solutés de rentrer ou sortir des billes. Ces échanges doivent être optimaux et pour cela la totalité de la surface de la bille doit être en contact avec le fluide. La perfusion du plasma entre les billes doit être efficace.
Dans un premier temps, la validation de ce bioréacteur est passée par l’analyse du comportement global du lit de billes dans son enceinte en régime fluidisé pendant 6 heures d’utilisation, temps correspondant à la durée journalière de traitement. Avec des billes n’hébergeant pas de cellules et une solution physiologique, ce comportement est apparu conforme aux attentes et reproductible. Ainsi, le lit de billes subit une expansion linéaire en fonction du temps pendant une phase courte (inférieure à 5 minutes) et ceci quel que soit le volume de billes. L’évolution linéaire suit une pente qui augmente en fonction du débit. Elle évolue ensuite asymptotiquement vers une hauteur fluidisée finale. Aucune discontinuité n’est observable et aucune surélévation n’a lieu lors de la transition entre la phase de montée et de stabilisation. La valeur asymptotique correspond à la hauteur maximale du lit fluidisé. Quelle que soit la configuration, en terme de volume de billes et de débit de perfusion du bioréacteur, le lit se stabilise sur une période de 30 minutes. Une loi simple régissant le comportement du lit de billes a été proposée par notre équipe (175).
Dans un second temps, les transferts de matière entre la solution extérieure et les billes d’alginate ont été appréciés quantitativement pour des conditions statiques (lit tassé) puis dynamique (lit fluidisé). D’un point de vue global, il a été montré que les quantités transférées ne sont pas affectées par la configuration d’échange (en statique et en dynamique). Les billes peuvent contenir une quantité finie d’éléments et l’aspect diffusif ou convectif ne joue aucun rôle sur ce point. L’apport de la convection sur la diffusion intervient uniquement sur la vitesse des transferts. Les temps d’équilibre sont ainsi fortement diminués. Les transferts sont jugés réversibles. Les billes ont une structure poreuse dont le seuil de coupure a été estimé inférieur à la taille de l’albumine. Rappelons que ces études ont été menées uniquement avec des billes vides et du sérum physiologique (1).
vitro passe par l’analyse du comportement du lit de billes dans le bioréacteur perfusé par du
plasma et contenant 300 à 400 millilitres de billes hébergeant des hépatocytes. L’étude du métabolisme des hépatocytes encapsulés permettra d’évaluer l’influence de la fluidisation sur ce métabolisme mais aussi de mieux définir le seuil de coupure des billes d’alginate. Ces travaux font partie des objectifs fixés dans le cadre de la présente thèse.