Comparaison des paramètres hydrodynamiques dans différents types de

I.3.1.a. Comparaison des paramètres hydrodynamiques entre les fioles

d’Erlenmeyers et les réacteurs mécaniquement agités

Nous présenterons ici quelques généralités quant aux différences d’environnement entre les bioréacteurs mécaniquement agités et les bioréacteurs à agitation orbitale. Une étude plus précise est développée dans le chapitre ‎III.

Il est important de comparer les caractéristiques hydrodynamiques des trois types de réacteurs les plus utilisés en laboratoire et au niveau industriel : réacteurs mécaniquement agités (STR), airlift et fioles d’Erlenmeyer. La fiole d’Erlenmeyer est le type de réacteur utilisé en laboratoire pour les essais préliminaires, en raison de leur facilité de manipulation et de leurs faibles coûts d'exploitation. Les fioles d’Erlenmeyers sont devenues irremplaçables surtout en début de processus de développement qui nécessitent un grand nombre d'expériences, par exemple le criblage de souches performantes ou pour l’optimisation des milieux de culture (Freedman et al., 1969).

Les plus grandes différences observées dans le cas de fioles d’Erlenmeyer non chicanées par rapport au réacteur mécaniquement agité sont :

La distribution uniforme de la puissance dissipée dans les fioles par rapport réacteur mécaniquement agité (Büchs et al., 2000 ; Büchs et al., 2001).

Le manque de contrôle des paramètres classiques de culture (comme le pH et la concentration en oxygène dissous).

La méthode d’apport de l’oxygène dissous : Phase dispersée en réacteur mécaniquement agité, aération de surface en fiole agitée (Maier et Büchs, 2001).

La dynamique des fluides dépend de la taille du mobile d’agitation en STR et de la vitesse d’agitation dans les deux systèmes (Weyand et al., 2009) ; ainsi une augmentation de la vitesse d’agitation conduit à augmenter le mélange. Gerson et al. (2001) montrent qu’un nombre de Reynolds critique pour la transition d’un mélange laminaire à un mélange turbulent se produit à des vitesses d’agitation plus faibles en fioles (50 tr.min-1) qu’en STR (250 tr.min-1). Plus récemment Peter et al. (2006) ont indiqué que l’écoulement en fiole agitée

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n’était pas turbulent dans des conditions classiques de culture au contraire des écoulements en STR. Ce résultat a été confirmé par des mesures de vitesses par Weheliye et al. (2013).

I.3.1.b. Comparaison des paramètres hydrodynamiques entre le

réacteur mécaniquement agité et l’airlift

Comme l’indique le Tableau ‎I-2, les réacteurs de type airlift (AL) présentent des taux de transfert d'oxygène élevés et d'excellentes propriétés de mélange (Gavrilescu et al., 1998). Plusieurs études ont en effet démontré la capacité de l’AL à fournir un mélange efficace et uniforme à une faible consommation d'énergie (Merchuk, 1988).

Tableau ‎I-2. Principales différences entre réacteur airlift et agités mécaniquement : (Gavrilescu et al., 1998 ; Schugerl, 1990 ; Merchuk et al., 1988).

Réacteur airlift Réacteur agité mécaniquement

+ - + -

transfert d’oxygène puissance dissipée puissance dissipée transfert d’oxygène* distribution uniforme de la puissance dissipée (mélange homogène) contraintes de cisaillement contraintes de cisaillement

Distribution non uniforme de la puissance dissipée (mélange hétérogène, zones mortes)

+ : forte valeur ; - : valeur faible ; * : avec utilisation d’air comme gaz apportant l’oxygène De plus, ils présentent, a priori, un environnement à faibles contraintes hydromécaniques par rapport aux réacteurs mécaniquement agités, du fait de l’absence de pièces mécaniques tournantes (Gavrilescu et al., 1998). Cette absence de pièce mécanique fait de ces réacteurs une technologie à faible coût et robuste dans le temps. Cependant, les bioréacteurs de type airlift, malgré leur fonctionnement sans mobile d’agitation, peuvent également générer des contraintes de cisaillement élevés du fait de la turbulence générée par la phase dispersée. Les sources de contraintes issues de la phase dispersée peuvent être attendues dans le voisinage du distributeur de gaz, dans le sillage des bulles ou dans la zone de désengagement au niveau de la surface libre. Ces contraintes peuvent occasionner des dégâts au niveau des cellules par

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rupture de la membrane cellulaire (Meier et al., 1999 ; Koynov et al., 2007 ; Weyand et al., 2009).

Par ailleurs, la distribution de puissance dissipée est relativement uniforme en réacteurs gazosiphons contrairement aux STR, dans lesquels le taux de dissipation de l'énergie cinétique turbulente peut varier d’un facteur 100 entre la zone du mobile et le reste du bioréacteur (ce ratio dépend bien évidemment du type de mobile utilisé). En revanche en STR, les distributions de température et de concentration sont réputées plus uniformes qu’en réacteurs gazosiphon en raison de temps de mélange diminués (Schügerl, 1990).

Le débit volumique de gaz ainsi que la conformation des bulles escomptée (forme et taille) a un également un impact sur les propriétés de mélange et de transfert, en particulier dans les réacteurs à agitation pneumatique pour lesquels le mélange est assuré par les transferts de quantité de mouvement entre les bulles et le liquide. Ainsi, par exemple, en STR, une augmentation du débit d’aération de 1,5 vvm à 2,5 vvm pour une culture de Monascus purpureus FTC 5391 conduit à une augmentation de kLa de 144 à 165 h-1. En STR, le transfert de l'oxygène dépend essentiellement de la dissipation volumique via la fréquence d’agitation du mobile. Ainsi, une augmentation de la turbulence favorise le transfert grâce à l’amélioration du renouvellement des surfaces d’échange. (Gomez-Diaz et Navaza, 2003). Ces mêmes auteurs ont par ailleurs montré qu’en STR, l'influence du débit de gaz sur le transfert d’oxygène en fluide non-newtonien est moins sensible que celle de l’agitation. Ainsi, lors de l’augmentation de la fréquence d’agitation de 150 rpm à 350 rpm en maintenant un débit de gaz à 10 L.h^-1, une augmentation du coefficient de transfert de matière côté liquide kL de 1,25.10^-3 à 2,25.10^-3 cm.s^-1 a été obtenu. Par contre l’augmentation du débit de gaz de 5 à 12 L.h^-1 conduit à une plus faible augmentation du kL de 1,75 à 2,25.10^-3 cm.s^-1 avec une fréquence de 350 rpm et de 0,75 à 1,1.10^-3 cm.s^-1 pour la fréquence de 150 rpm.

En ce qui concerne le bioréacteur airlift, Chiang et al. (2013) ont montré qu’une augmentation de 0,1 à 0,5 vvm conduit à une augmentation du coefficient volumique de transfert d’oxygène de 10,8 à 19,8 h-1 pour la culture d’Antrodia cinnamomea. Ces auteurs ont montré que pour une même aération de 0,1 vvm, la valeur de kLa pour les cultures d’Antrodia cinnamomea était de 5,2 h-1 en STR en comparaison de 10,8 et 13,7 h-1 pour différents types de réacteurs airlift.

Enfin, dans les colonnes à bulles et les airlifts, le design du distributeur de gaz est connu pour être un paramètre influençant fortement les performances de transfert de matière. Notamment

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le choix du type d’apport (cane perforée, anneau multi-perforé, fritté métallique) ainsi que la taille des entrées d’air (diamètre du tube ou des perforations, porosité du fritté métallique) sont des données cruciales qu’il est nécessaire de maîtriser lors du changement d’échelle (Weuster-Botz, 2005).