Régulation du dioxygène dissous

OTR et les 3 actionneurs de régulation


On suppose un bioréacteur alimenté par un apport de bulles d'un gaz contenant du dioxygène. On suppose que les 2 phases "bulles de gaz" et milieu liquide de culture sont parfaitement homogènes à l'intérieur du bioréacteur. On suppose que le réacteur est suffisament peu profond pour négliger les différences de pression entre le fond et la surface !

On peut alors écrire la relation fondamentale (en utilisant les notations classiques, explicitées par passage au pointeur de souris) :

OTR (vitesse de transfert de l'O2 dans le réacteur)
OTR = KL a( C*- C)     (relation 1)

Qu'on peut compléter par :
OUR (vitesse de consommation du dioxygène par la biomasse)= QO2 *  [X]    (relation 2)

(1) et (2) conduisant à la relation fondamentale :
dC/dt = OTR - OUR = KLa(C*-C) - OUR

Toutes les explications concernant ces 2 équations fondamentales sont disponibles à http://www.perrin33.com/genie_ferment/kla_0.php et à http://www.perrin33.com/genie_ferment/kla_1.php


Dans un bioréacteur, si on souhaite réguler la concentration en dioxygène dissous (par exemple à une valeur supérieure ou égale à la concentration critique), il va falloir jouer sur OTR. La relation (1) montre de façon assez évidente les paramètres sur lesquels on va agir :

  1. Agir sur la valeur de KL (le coefficient d'échange global pour O2 en m.s-1) ? KL traduit la "difficulté" pour le dioxygène à passer l'interface bulle de gaz / milieu de culture, le milieu est tel qu'il est ... Conclusion, KL ne propose aucune possibilité dans le cadre d'une servorégulation du dioxygène dissous.
  2. Jouer sur "a" (le "a" du KLa). "a" représente la surface d'échange globale entre le gaz d'aération et le milieu. Comme le montre la relation (1), plus "a" est élevé meilleurs sont les transferts de dioxygène.
    Ceci conduit à présenter un premier actionneur possible pour une boucle de servo régulation du dioxygène dissous : la vitesse de rotation de la turbine d'aération. Une augmentation de vitesse (rpm, rotations par minute) se traduira par un effet de cisaillement augmenté et des bulles de gaz plus petites et donc une surface d'échange augmentée (toutes choses égales par ailleurs) et donc un OTR augmenté. Les limitations à l'actionneur "rpm" seront une limitation minimale afin d'assuer une homogénéisation convenable et une limitation maximale afin d'éviter des dégats aux cellules cultivées et/ou des effets de moussage trop importants.
    Le paramètre "a" oriente vers un deuxième actionneur possible : le débit* du gaz d'aération entrant. Plus le débit est important, plus on a de bulles. Plus on a de bulles, plus la surface d'échange est élevée (toutes choses égales par ailleurs) et ainsi OTR est augmenté. Là aussi, on se devra se fixer un minimum et un maximum.
  3. Jouer sur C*. C* est la concentration en dioxygène dissous atteignable à l'équilibre de saturation entre le milieu et le gaz entrant. La valeur C* est donnée par la loi de Henry. Un troisième actionneur se dégage : la pression partielle en dioxygène du gaz d'aération entrant. Plus cette pression partielle sera élevée (par exemple en enrichissant l'air entrant en dioxygène pur), plus C* sera élevé (toutes choses égales par ailleurs, notamment la température ...).

Remarque importante. On peut aussi contrôler le dioxygène dissous en contrôlant le débit (ou la fréquence) d'alimentation d'un substrat énergétique lors de cultures de type fed-batch. Une pompe péristaltique peut très bien être asservie à la valeur de pO2... Mais ceci ne sera pas discuté dans la suite.