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JF Perrin mise à jour 2013/2018
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Le chémostat est la plus féquente des cultures continues. Dans un chémostat, du milieu de culture neuf est apporté à un débit constant tandis que le réacteur (homogénéisé) est délesté de son contenu au même débit exactement.
En pratique, avec un fermenteur de laboratoire, on peut réaliser l'égalité exacte du débit d'alimentation et du débit effluent à l'aide de 2 pompes et d'un tube d'effluent "plongeur au niveau souhaité". Autre procédé, très appliqué y compris sur des installations d'assez gros volume, l'effluent est soutiré par gravité lors du déclenchement d'une électrovanne pilotée par le poids - à maintenir constant - du bioréacteur.
Les chémostats inoculés avec une souche pure présentent une propriété remarquable : au bout d'un certain temps de fonctionnement ils atteignent un état d'équilibre stationnaire où se trouvent en mode "lavage".
En effet, si le débit F est trop élevé (en fait le rapport F/V), le bioréacteur va être lavé et peu à peu la concentration en biomasse ([X]) va tendre vers zéro et la composition du milieu du bioréacteur va devenir identique à celle du milieu neuf.
En revanche pour des débits pas trop élevés (en fait le rapport F/V), le bioréacteur va atteindre peu à peu un état dynamique stationnaire pour lequel la concentration en biomasse [X] va devenir constante ainsi que la concentration de chacun des
substrats Si du milieu. Dans le réacteur à l'état stationnaire d[X]/dt=0 et d[Si]/dt=0. L'état stationnaire obtenu est indépendant de la charge inoculum de départ. Il dépend évidemment de la composition du milieu
d'alimentation et du rapport F/V et bien sûr de la souche utilisée et de la température.
Le rapport F/V (fondamental pour un chémostat) est la fréquence ou taux de renouvellement du réacteur en milieu neuf.
On résume ce qu'il y a à retenir :
Les 2 états d'équilibre "lavage" et "dynamique stationnaire" peuvent se concevoir de façon intuitive en s'échauffant un peu les neurones. Si j'envoie un taux de renouvellement très fort, je conçois le lavage : les micro-organismes sont incapables de se développer assez rapidement face au taux de renouvellement imposé. En revanche, si le taux de renouvellement en milieu neuf est inférieur à ce qu'on pense être le potentiel de renouvellement des micro-organismes dans le fermenteur, alors, on conçoit que la biomasse va augmenter plus vite dans le réacteur qu'elle va en sortir. Mais si la biomasse augmente dans le réacteur, elle consomme les substrats de plus en plus vite et au bout d'un momment il va bien apparaître un substrat qui va baisser suffisament pour limiter le taux de renouvellement des micro-organismes (les arbres ne montent pas au ciel !). De là à ce que tout ça se stabilise gentiment sur une dynamique stationnaire... On sent que tout va devenir constant (de façon dynamique !) dans le réacteur et et que ça devrait correspondre à un moment où le taux de renouvellement en milieu neuf sera égal au taux de renouvellement en micro-organismes qui sera imposé par un substrat devenu limitant...
Et bien, c'est ce qu'on va voir à l'aide de l'outil mathématique de choix pour décrire les phénomènes dynamiques : l'équation différentielle.
On ne peut terminer cette introduction sans indiquer que les chémostats ne sont évidemments pas réservés aux souches pures et sont utilisés avec des populations microbiennes complexes dans les installations de traitement des eaux par exemple. On utilise aussi des installations de chemostat sur des microcosmes microbiens utilisés comme modèles pour des études d'écologie et de biologie des évolutions. Des phénomènes de mutations/sélections interviennent évidemment dans ces chémostats. La dynamique de tels systèmes est très complexe.