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 :
- 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.
- 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.
- 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.