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Bioréacteurs A. Garnier GCH-2103 A-2010. Plan Bioréacteurs Contraintes hydrodynamiques Mise à léchelle Transfert de masse Transfert thermique Systèmes.

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1 Bioréacteurs A. Garnier GCH-2103 A-2010

2 Plan Bioréacteurs Contraintes hydrodynamiques Mise à léchelle Transfert de masse Transfert thermique Systèmes

3 Types de bioréacteurs

4 Gazo-syphon « deep-shaft »

5 Réacteurs agités

6 Contraintes hydrodynamiques Vitesse de bout de pale: Gradient de vitesse:

7 Contraintes hydrodynamiques– dissipation visqueuse en système turbulent - modèle de Kolmogoroff Modèle Effet des tourbillons

8 Mise à léchelle

9 LES ÉTAPES DU TRANSFERT DE MASSE LIQUIDE interface gaz-liquide film liquide masse du liquide film liquide Interface solide-liquide CELLULE (seule ou en agrégat) GAZ (bulle ou surface) O2O2 CO 2 Flux = K L (C* - C)

10 LES EFFETS SUR K L a K L a Hydrodynamique (N, géométrie, (d b )) T, viscosité, densité, [surfactant], diffusivité P/V, Re, Fr, Na, … A/V L ou (6/d b * g ) QGQG

11 LE MODÈLE SIMPLE DE TRANSFERT DE MASSE DANS UN BIORÉACTEUR Q G, y O2in Q G, y O2 VGVG V L, C, X, q O2 Bilan général: En absence de biomasse: À l équilibre: Où:..* 2 pressionp pyHC O q O2 = (mole dO 2 / (g de cellules. s)

12 LES HYPOTHÈSES Les propriétés sont constantes Les 2 phases sont parfaitement mélangées Dans le cas de la mesure dynamique: le temps de résidence de la phase gaz est court par rapport au temps caractéristique de transfert de masse en bullage: la contribution de la surface est négligeable le temps de réponse de la sonde est court

13 Prédiction de k L a – détermination de la puissance dissipée Graphe P NO vs Re (pour différents agitateurs) P (non-aéré, un module dagitation) Pa (un module) Graphe Pa/P vs Na Pa/P Ptot Nb de module

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15

16 Prédiction de k L a – corrélations Vaisseau agité, Vant Riet (1983) (+/ %) – Non-coalescent (2

17 Méthodes de détermination expérimentale du k L a Régime stationnaire vs dynamique Avec/sans micro-organisme

18 Dynamique sans u-org.: stimulation échelon Simple Rapide Dépendance aux hypothèses Difficile à réaliser à grande échelle

19 Stationnaire sans u-org.: sulfite Sulfite + O2 = sulfate SO ½ O 2 SO 3 -- Cu ++, Co ++ Réaction dordre 0, assez rapide On dose le sulfate en fonction du temps avec du permanganate de potassium (KMnO 4 ) r O2 = k L a. C* = ½ d(SO 4 -- )/dt

20 Stationnaire avec u-org. Mesure de O 2 dans la phase gaz à lentrée et à la sortie et mesure de OD Exemple: – culture de 1m 3 de u-org (10 g/L) – Q G = 0,2 VVM – p O2, in = 0,21 atm, p O2,out = 0,105 atm, OD=0% – T=30C, R=8,205E-5 m 3.atm.gmole O K -1 – H= 1 mole.m -3.atm -1 – Trouver k L a et q O2

21 Dynamique avec u-org bullage interrompu 2- bullage réactivé

22 Dynamique avec u-org. (suite) 1. Arrêt du bullage (et parfois réduction de N) Le T de M nest pas absolument nul Le système nest plus nécessairement homogène Nécessite bonne connaissance de C* en unités physique réelles Hypothèse de cinétique d'ordre 0 Permet dobtenir q O2 X Avec q O2 X, on peut déterminer k L a avec les données du régime permanent: C éq = C* - q O2 X/k L a

23 Dynamique avec u-org. (suite) 2. Réactivation de laération (et de N) – Méthode archaïque: tracer dC/dt + q O2 X = k L a (C*-C) – Méthode alternative: soustraire la relation à léquilibre: dC/dt = k L a (C éq -C) – Détermination de k L a simple et précise – Doit correspondre avec données à léquilibre – Variante: petite perturbation échelon de p O2 – Toutes les hypothèses nécessaires pour la détermination de k L a en régime transitoire sans micro-organisme doivent également être respectées

24 Dynamique avec u-org. -exemple Les données suivantes ont été recueillies par une expérience de détermination du transfert de masse dynamique durant une culture de E. coli à 5 g/L. Calculez q O2 Calculez k L a Confirmez ces valeurs à partir des données à léquilibre t (s)C x10 4 (M) 01,74 251,54 501,26 750, ,7 1200, , , , , ,72

25 Transfert thermique Sources: – Qmet: Chaleur générée par culture – Qag: chaleur générée par agitation mécanique – Qgaz: chaleur générée par puissance daération Puits: – Qévap: chaleur évacuée par évaporation – Qexch: chaleur éliminée par léchangeur – Qsen: différence denthalpie des écoulements Accumulation: Qacc

26 Moyens dévacuation de la chaleur

27 Bilan thermique Qacc = Qmet + Qag + Qgaz – Qexch – Qévap- Qsen – On peut utiliser Qacc pour mesurer Qmet en système isolé – En général, on peut négliger Qévap, Qsen – En régime permanent, Qacc = 0 Qexch = Qmet + Qag + Qgaz 1,1-1,45 g cell./J ou 500 kJ/mole O 2 = L. g. U gs. V L (Guy et al. (1986) Calculé précédemment =h. A. T


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