La production de protéines recombinantes, d’anticorps, de vaccins, … est de plus en plus réalisée par culture de cellules animales. Le bioréacteur classiquement utilisé en industrie pour réaliser ces cultures est le bioréacteur à cuve agitée. Ce bioréacteur présente un volume important ce qui rend difficile le développement d’un bioréacteur à usage unique dans l’optique de réduire les risques de contaminations entre deux cultures consécutives. L’intensification du procédé et le développement de bioréacteur à usage unique sont donc deux défis intéressants dans la réalisation de cultures cellulaires à l’échelle industrielle. Un bioréacteur particulièrement prometteur pour l’intensification de culture cellulaire est le bioréacteur lit-fixe. Dans cette thèse, nous étudions le bioréacteur lit-fixe à usage unique iCELLis développé par Artelis S.A.<p>Le lit-fixe du bioréacteur iCELLis est composé d’un empilement de porteurs maintenu entre deux grilles perforées. Ces porteurs sont utilisés comme support par les cellules au cours de la culture. Le bioréacteur est équipé d’un système de transfert gaz-liquide par film tombant afin d’oxygéner le milieu de culture en continu. Une pompe centrifuge plongée dans un bac d’immersion assure la circulation du milieu de culture à travers l’ensemble du bioréacteur. Les cultures se déroulent en trois phases :une phase d’adhérence des cellules aux porteurs du lit-fixe, une phase de croissance cellulaire et une phase de production.<p>Les avantages d’un bioréacteur lit-fixe sont nombreux :une concentration cellulaire élevée impliquant une productivité élevée, un petit volume de bioréacteur, une faible exposition des cellules aux contraintes de cisaillement, Les bioréacteurs lits-fixes présentent cependant certains inconvénients qui freinent leur développement à l’échelle industrielle. Le lit-fixe se présente comme un réacteur piston ce qui implique l’apparition de gradients de concentrations de cellule et d’espèces extracellulaires (nutriments et produits) le long du lit-fixe. L’intérieur du lit-fixe est également difficilement accessible au cours de la culture. Le suivi des concentrations de cellules et d’espèces dans cette zone est donc problématique.<p>Une modélisation globale du bioréacteur lit-fixe nous permet de mieux comprendre les différents phénomènes qui prennent place dans le bioréacteur. Grâce à cette modélisation, nous sommes donc capables d’identifier les phénomènes clés contrôlant le procédé et ainsi fournir des pistes de travail pour l’optimisation et la montée en échelle du bioréacteur, ceci sur base de critères rationnels.<p>Nous choisissons de développer un modèle à compartiments du bioréacteur lit-fixe. Dans ce type de modèle, le bioréacteur est représenté par un réseau de compartiments interconnectés. Nous définissons trois compartiments :un premier pour la pompe, un deuxième pour les cellules et le lit-fixe, et un troisième pour le système de transfert gaz-liquide.<p>Pour le premier compartiment, nous souhaitons caractériser divers paramètres identifiés comme pertinents pour une sélection adéquate de la pompe. Dans cette thèse, nous présentons une méthode pour caractériser ces paramètres pour une pompe de référence (celle du bioréacteur iCELLis) et pour une pompe en similitude géométrique à la pompe de référence (dans le but d’étudier la montée en échelle).<p>La pompe de référence est étudiée numériquement (grâce aux logiciels Gambit 2.4 et Fluent 6.3) et expérimentalement. Nous mettons en évidence les liens entre les paramètres de la pompe déterminés numériquement et ceux déterminés expérimentalement. Ces liens définissent notre modèle. En intégrant au modèle les résultats de la simulation numérique de l’écoulement du milieu de culture dans le bac d’immersion contenant la pompe en similitude géométrique à la pompe de référence, nous déterminons entièrement les paramètres recherchés de la seconde pompe sans avoir recours à un prototype. Ceci permet donc de tester différentes échelles avant de choisir la version finale de la seconde pompe.<p>Le deuxième compartiment du modèle caractérise les cellules et le lit-fixe. La sélection de certains paramètres opératoires dépend du métabolisme cellulaire. Nous souhaitons développer un outil de surveillance en ligne de l’évolution des concentrations de certaines espèces extracellulaires sur base de la connaissance de la concentration cellulaire dans le bioréacteur. Cet outil est développé sur base d’un modèle structuré du métabolisme des cellules animales. Dans un tel modèle, nous établissons des bilans de matière sur les espèces extra- et intracellulaires en considérant les voies métaboliques intracellulaires. Un paramètre requis pour l’emploi de cet outil est la connaissance de la concentration cellulaire au cours de la culture. Or, la surveillance de cette concentration est l’un d’un problème évoqué dans les bioréacteurs lits-fixes. Nous développons donc un modèle ségrégé de culture cellulaire en bioréacteur lit-fixe. Dans ce modèle, nous considérons l’entièreté du lit-fixe. Le modèle comprend différentes populations de cellules :les cellules en suspension dans le milieu au début de la culture et les cellules adhérentes au lit-fixe. Le modèle inclut une distribution spatiale de la concentration d’espèces extracellulaires dans le lit-fixe. Par conséquent, le modèle rapporte les gradients potentiels de concentration de cellules et d’espèces extracellulaires dans le lit-fixe.<p>Le troisième compartiment du modèle du bioréacteur caractérise le système de transfert gaz-liquide. L’oxygénation est très souvent un paramètre clé dans la conception d’un bioréacteur. Dans le bioréacteur iCELLis, le système de transfert gaz-liquide est un film liquide tombant turbulent. Dans cette thèse, nous proposons une méthode pour caractériser le transfert d’oxygène à travers ce type de film tombant. Notre méthode, basée sur une approche numérique (grâce à Gambit 2.4 et Fluent 6.3), est scindée en deux parties. Premièrement, nous calculons la forme de l’interface gaz-liquide. Une simulation de l'écoulement est réalisée avec le modèle Volume of Fluid (VOF). A partir de cette simulation, la forme de l'interface est traquée. Deuxièmement, la forme de l'interface est générée dans un nouveau domaine de calcul afin de simuler le transfert d’oxygène. Grâce à cette seconde simulation, le coefficient de transfert d’oxygène de la phase gazeuse vers le milieu de culture est déterminé. Grâce à notre méthode, nous caractérisons ce coefficient pour différentes conditions opératoires. Nous étudions notamment l’influence du débit et de la température du milieu de culture sur le coefficient de transfert d’oxygène. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished