Chapitre VI.Essais Industriels
VI.2. Essais de production au niveau du fermenteur de 1000 L
Les essais de production faits au niveau du bioréacteur de 1000 L visaient surtout à valider à l'échelle industrielle les résultats obtenus au laboratoire. Dans les chapitres précédents, nous avons vu que le meilleur rendement (protéines de toxines produites par rapport au son de blé utilisé) a été obtenu dans un milieu son de blé 6 % (masse/volume) dans des conditions d’aération correspondant à un KLa de 65,5 h-1 (500 rpm et 0.33 L.L-1min-1) alors que la meilleure
productivité (protéines de toxines produites par unité de temps) a été atteinte dans le milieu 9 % pour un KLa de 102 h-1 (500 rpm et 1.34 L.L-1min-1). Pour les premiers tests, le milieu son de blé
6 % a été choisi en raison notamment de sa plus faible viscosité. Celle-ci doit simplifier la pulvérisation du produit final. Différentes conditions d’aération ont été testées. La vitesse d’agitation a été fixée à 500 rpm ce qui représente la vitesse maximale qui peut être atteinte par le mobile d’agitation dans le bioréacteur de 1000 L. Trois flux d’air ont été testés : 0.12, 0.29 et 0.58 L.L-1.min-1 (partie II.3.3 du chapitre Matériels et Méthodes). Pour des problèmes
techniques et par manque de temps pour résoudre ces problèmes, la détermination du KLa n’a pu
être faite au niveau du bioréacteur de 1000 L. Les résultats de ces essais sont regroupés dans le Tableau VI.1.
Tableau VI.1. Concentration des spores et des cristaux et concentration et productivité des protéines obtenues pour différentes conditions d’aération dans le fermenteur de 1000 L Flux d’air Spores Cristaux Protéines Productivité
(L.L-1.min-1) (x109 spore/mL) (x109 cristal/mL) (g.L-1) (mg.L-1.h-1)
0.12 1,92 1,9 2,04 34
0.29 1,93 1,9 2,21 46,0
0.58 1,96 1,93 2,4 66,7
Les concentrations obtenues des cristaux et des spores ont été du même ordre dans les différentes conditions d’aération testées alors que la concentration et la productivité des protéines des toxines ont augmenté avec l’augmentation du flux d’air. Les tendances de variation observées dans les essais de production effectués au niveau du laboratoire se retrouvent donc ici : les
138
quantités de protéines produites et la productivité augmentent quasi linéairement avec l’oxygénation apportée (graphe VI.2), tout au moins dans la gamme de flux d’air utilisé.
Si les tendances de variations de la productivité des protéines de toxines en fonction du flux d’air dans les fermenteurs de 2 L et 1000 L sont identiques, la comparaison des valeurs absolues montre une différence entre les deux échelles de fermenteurs (Figure VI.2).
Figure VI.2. Variation de la productivité des protéines en fonction du flux d’air dans les fermenteurs de 2 et 1000 L
Pour une vitesse d’agitation identique de 500 rpm, la productivité des protéines de toxines obtenue dans le fermenteur de 1000 L pour un flux d’air de 0,29 L.L.min-1 est du même ordre
que celle obtenue dans le bioréacteur de laboratoire de 2 L pour un flux environ 10 fois plus petit de 0,033 L.L.min-1. Pour le flux maximum testé de 0,58 L.L-1min-1 dans le fermenteur de 1000 L,
la productivité obtenue correspond à un flux environ 5 fois plus petit dans le fermenteur de 2 L. Ces différences peuvent s’expliquer par des valeurs de KLa différentes entre les 2 installations.
Une même vitesse d’agitation et un même débit d’aération ne conduisent pas obligatoirement à un même transfert d’oxygène. Les natures géométriques du mobile d’agitation et de la cuve jouent également un rôle.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Pro du ct iv ité m g. L -1h -1
Flux d'air L.L.min-1
139
Dans notre cas, le fermenteur de 2 L comporte deux turbines d’agitation qui sont des turbines Rushton alors que l’agitation dans le fermenteur de 1000 L est assurée par deux turbines, chacune à deux pales inclinées. D’après karimi et al. (2013), la turbine Rushton est plus efficace pour briser les bulles d’air car elle a une aire plus élevée de la surface transversale et une amélioration de 23 à 77 % des valeurs de KLa a été obtenue en utilisant la turbine Rushton par
rapport à d’autres turbines (turbines à quatre pales inclinées, turbines à deux pales inclinées). Les meilleures productivités obtenues à l’échelle de 2L pourraient donc s’expliquer par un meilleur KLa. Cette hypothèse pourra être confirmée dès que nous serons techniquement en
mesure d’évaluer le KLa dans le fermenteur de 1000L. Les résultats sont toutefois encourageants
car le comportement de la souche vis-à-vis de l’aération semble similaire.
Pour le flux d’air de 0,58 L.L-1min-1, qui est le flux maximal qui peut être appliqué pour un volume utile de 600 L dans le bioréacteur de 1000 L, la cinétique de la fermentation de « Lip » a été suivie. La courbe de croissance obtenue est présentée dans la Figure VI.3.
0.00E+00 5.00E+08 1.00E+09 1.50E+09 2.00E+09 2.50E+09 0 5 10 15 20 25 30 Co ncent ra tio n des ce llu les (ce llu le/m L) Temps (h)
Bioreacteur 1000 L Fermenteur 2 L Kla 65,5 h-1
Figure VI.3. Comparaison des courbes de croissance de « Lip » dans le fermenteur 2 L pour KLa de 65,5 h-1 et dans le bioréacteur de 1000 L pour un flux d’air de 0,58 L.L-1min-1
140
Le tableau VI.2 montre le temps correspondant à chacune des phases de croissance de « Lip » dans le bioréacteur de 1000 L en comparaison avec le fermenteur de 2 L.
Tableau VI.2. Temps de fin de chacune des étapes de croissance de « Lip » dans le fermenteur de 1000 L en comparaison avec le fermenteur de 2 L
Fermenteur 1000 L Fermenteur 2 L I.a. Phase de latence
I.b. Croissance exponentielle I.c. Décélération de la croissance II. Fin de la phase végétative – début de libération des spores matures
III. Début de libération des spores matures – fin de la fermentation (90 % de spores libres) 5 h 10 h 12 h 18 h 36 h 2,5 h 6,5 h 8,5 h 12 h 29 h
Les profils dans le fermenteur de 1000 L sont très semblables à ceux qui avaient été obtenus dans le fermenteur de 2 L. Les mêmes concentrations maximales de cellules ont été atteintes et les mêmes phases de croissance sont observées. Un simple décalage des phases est observé et ce dès le début de la fermentation. En fait la phase de latence est plus longue de 2,5 h dans le fermenteur de 1000L. Ceci peut facilement s’expliquer par la différence du processus d’inoculation entre les 2 fermenteurs. Dans ces essais préliminaires, sur la base des travaux de Dulmage (1990), un pourcentage d’inoculum de 0,5 % a été utilisé alors que dans les fermenteurs de 2 L le pourcentage de l’inoculum a été de 2 %.
Ce décalage sur la latence se retrouve par la suite dans toutes les phases. Il s’accentue légèrement par la suite, passant de 2,5 h à 6 h en fin de fermentation. Ceci peut certainement s’expliquer par les différences de transfert d’oxygène déjà évoquées. Le flux d’air le plus élevé testé (0,58 L.L-
1min-1) ne permet certainement pas d’atteindre le K
La de 65,5 h-1 correspondant à un flux de
141
Malgré une procédure d’inoculation non optimisée par rapport à l’âge et la quantité, les résultats obtenus dans le fermenteur de 1000 L sont très encourageants. Ils se rapprochent très fortement de ceux qui avaient été obtenus en fermenteur de 2 L. Les niveaux de productivités sont déjà très corrects et laissent à penser que quelques ajustements permettront de retrouver les niveaux atteints en fermenteur de 2 L.