BioSys: de la modélisation à la commande des bioprocédés Prof BioSys: de la modélisation à la commande des bioprocédés Prof. Alain Vande Wouwer - Coordinateur Dr. Laurent Dewasme – Coordinateur adjoint BioSys
BioSys Biochemical Systems & Processes Biomedical Systems & Technologies Engineering Centre de recherche BioSys Institut des Biosciences Institut des Sciences & Technologies de la Santé BIO = « Relatif au Vivant » 2
Compétences transversales Biomedical Systems & Technologies Biochemical Systems & Processes Compétences transversales Informatique Mathématique et Recherche opérationnelle Traitement du Signal Automatique Mécanique rationnelle Chimie et Biochimie Appliquées Thermodynamique Mécanique des Fluides Génie Chimique Géologie
Quelques exemples d’applications biotechnologiques Supervision et contrôle de cultures bactériennes/de levures Supervision et contrôle de cultures micro-algales Supervision et contrôle de cultures cellulaires Modélisation mathématique de cultures de champignons Modélisation mathématique de la digestion anaérobie Optimisation de la séparation de sucres par chromatographie à lit mobile simulé Modélisation et contrôle d’un système d’aquaculture à recirculation
Quelques exemples d’applications biotechnologiques Supervision et contrôle de cultures bactériennes/de levures Supervision et contrôle de cultures micro-algales Supervision et contrôle de cultures cellulaires Modélisation mathématique de cultures de champignons Modélisation mathématique de la digestion anaérobie Optimisation de la séparation de sucres par chromatographie à lit mobile simulé Modélisation et contrôle d’un système d’aquaculture à recirculation
Supervision de cultures cellulaires Récolte Milieu d‘alimentation Débit entrant (Fin) Milieu de culture Mélangeur Pales Unité de contrôle Pompe péristaltique Moteur Base Acide Aération Bulleur d’air (barboteur) Analyseur de gaz Colonne de refroidissement Gaine chauffante Cellule de rétention Purge Débit sortant (Fout) 6 6
Supervision de cultures cellulaires Avantages Alimentation en substrat et élimination des produits métaboliques toxiques (ammonium, lactate) en continu Possibilité d’atteindre un état d’équilibre de fonctionnement Régulation du pH via une moindre addition de base La rétention des cellules à la sortie de la perfusion permet d’atteindre de plus hautes densités cellulaires pour un volume de réacteur limité Inconvénients Possibles pertes de milieu de culture (non utilisé et très cher) Dilution du produit d’intérêt dans le traitement en aval
Identification d’un modèle de cultures cellulaires FIN FP: débit de perfusion (sans cellules) FB: purge Equations de bilan de masses reaction transport bl=FB/FIN D=FIN/V
Identification d’un modèle de cultures cellulaires 16 paramètres! Sur base de cette distance, un algorithme d’optimisation recalcule les paramètres pour une nouvelle prédiction. Cette procédure se répète jusqu’à ce qu’un critère de tolérance soit atteint. Procédure d’identification Proposition de valeurs initiales des paramètres; Prédictions du modèle (simulations); Estimation de la distance de ces prédictions par rapport aux données expérimentales: calcul d’une fonction de coût J.
Contrôle de cultures cellulaires Mise au point d’une boucle de contrôle basée sur un modèle Sonde proche infrarouge Se basant sur les concentrations transmises par le spectrophotomètre NIR, le système d’échantillonnage commande les pompes de supplémentation du bioréacteur. Corrélation UPLC
Contrôle de cultures cellulaires Mesures: Concentration cellulaire Concentration de glucose Bioréacteur CONT 3 OBS1 CONT1 CONT2 Autotuner OBS2 Variables contrôlées: Concentration cellulaire Concentration de glucose Variables manipulées: Taux de dilution Débit de perfusion Structure ne faisant pas appel à l’entièreté du modèle
Quelques exemples d’applications biotechnologiques Supervision et contrôle de cultures bactériennes/de levures Supervision et contrôle de cultures micro-algales Supervision et contrôle de cultures cellulaires Modélisation mathématique de cultures de champignons Modélisation mathématique de la digestion anaérobie Optimisation de la séparation de sucres par chromatographie à lit mobile simulé Modélisation et contrôle d’un système d’aquaculture à recirculation
Contrôle d’un système d’aquaculture à recirculation (RAS) >90% H2O < 10% Biofiltre Ci0,Xj0 u,T Ci, Xj But: recirculation et purification de plus de 90% de l’eau (niveaux limités d’ammonium et de nitrates) Besoin de filtrer cette quantité d’eau: Mécaniquement: filtres à particules Biochimiquement: filtres membranaires, biofiltres
Poisson-chat africain Biofiltration – Valeurs recommandées Paramètre Poisson-chat africain Anguille européenne Tilapia Truite T (°C) 25-27 23-26 24-30 10-18 O2 (g/m3) 3-8 >6 4-6 6-8 CO2 (g/m3) <25 40-50 20-30 Matières solides en suspension (g/m3) <15 <10 NH3-N (g/m3) <0.05 <0.06 <0.02 NH3-NH4+ (g/m3) <8 <3 <1 NO2-N (g/m3) <0.1 >15 NO3-N (g/m3) <100 - Chlorures (g/m3) >200
Biofiltration - Nitrification NH4+ NO3- HCO3- NO2- Nitrosomonas Nitrobacter
Biofiltration - Dénitrification NO3- N2 HCO3- Csource NO2- O2 CH3OH CH3COOH Biomass
Modélisation et contrôle d’un RAS industriel
Réacteur de dénitrification RAS – Conception d’un procédé pilote Réacteur de dénitrification Aquarium Réacteur membranaire Réacteur de nitrification
Quelques réalisations durables Installation d’un labo de chromatographie par SMB – collaboration avec l’ULB et MPI Magdeburg Installation de trois labos de cultures de bactéries, micro-algues et cellules animales – collaborations avec ULB, INRIA Sophia Antipolis, KUL Installation (en cours) d’un labo dédicacé environnement (épuration d’eau avec réacteur membranaire et biofiltres et digestion anaérobie d’algues) - collaboration UCL, INRA montpellier
BioSys participe aux appels à projets RW (PPP, Pôles de Compétitivité, WBGreen(Health), First, Recherche Collective, BEWARE…) http://spw.wallonie.be/ EU (Horizon 2020, ERA-NET, EUROSTARS,…) http://cordis.europa.eu/home_fr.html FNRS (FRIA, Projets de Recherche, …) http://www2.frs-fnrs.be/ BELSPO (Echanges) UMons (Cotutelle 50/50, …)
4 Merci pour votre attention! BioSys