Cours de conception de bioréacteurs

Leçon 1 • Fondamentaux de la cinétique de croissance microbienne

Couvre la cinétique de Monod, le taux de croissance spécifique et les coefficients de rendement. Fournit la base quantitative pour tous les calculs de conception de réacteurs subséquents.

Leçon 2 • Transfert de masse dans les bioréacteurs

Explique le taux de transfert d'oxygène, le coefficient de transfert de masse volumétrique et les interfaces gaz-liquide. Établit un lien entre les phénomènes de transport et la viabilité cellulaire et le rendement.

Leçon 3 • Mélange et dynamique des fluides

Traite des types de turbines, du temps de mélange et du nombre de Reynolds dans les bioréacteurs. Un bon mélange affecte directement la distribution des nutriments et le stress de cisaillement sur les cellules.

Leçon 4 • Configurations et types de réacteurs

Passe en revue les bioréacteurs à cuve agitée, à airlift, à colonne à bulles et à membrane. Établit les compromis de conception pertinents pour le fonctionnement en fed-batch et en continu.

Leçon 1 • Phases de croissance de la culture batch

Décrit les phases de latence, exponentielle, stationnaire et de déclin avec des modèles quantitatifs. Comprendre les transitions de phases est essentiel pour le moment des ajouts d'alimentation en fed-batch.

Leçon 2 • Métriques de productivité et de rendement

Définit la productivité volumétrique, la productivité spécifique et le rendement global pour les cultures batch. Établit les repères utilisés pour évaluer les améliorations en fed-batch et en continu.

Leçon 3 • Bilans de matière du substrat et du produit

Dérive les équations de bilan de matière pour la consommation du substrat et la formation du produit en mode batch. Ces équations forment le noyau mathématique de toute conception de bioréacteur.

Leçon 1 • Gestion du volume et de la concentration

Aborde les limites du volume de travail, les effets de la concentration de l'alimentation et la dilution du titre du produit. La gestion du volume est essentielle pour maintenir la productivité dans les cycles fed-batch prolongés.

Leçon 2 • Bilans de masse dynamiques pour le fed-batch

Dérive les équations de bilan de masse variant dans le temps tenant compte du changement de volume dû à l'ajout d'alimentation. Ces équations sont le fondement mathématique de toutes les stratégies de contrôle fed-batch.

Leçon 3 • Approximation quasi-stationnaire

Introduit l'hypothèse d'état quasi-stationnaire pour simplifier l'analyse fed-batch à faibles taux de dilution. Permet des solutions analytiques pour les concentrations de substrat et de biomasse.

Leçon 4 • Aperçu des stratégies d'alimentation

Passe en revue les stratégies d'alimentation à taux constant, exponentiel et par rétroaction. Chaque stratégie cible différents objectifs de croissance et de productivité dans les cultures fed-batch.

Leçon 1 • Limitation en nutriments et métabolisme de débordement

Explique comment l'excès de substrat déclenche le métabolisme de débordement et la formation de sous-produits. Concevoir l'alimentation pour éviter le débordement est essentiel pour les procédés à haut rendement.

Leçon 2 • Conception du profil d'alimentation exponentielle

Dérive les équations du débit d'alimentation qui maintiennent un taux de croissance spécifique constant pendant le fed-batch. L'alimentation exponentielle est la stratégie la plus largement utilisée dans les bioprocédés industriels.

Leçon 3 • Stratégies d'alimentation multi-nutriments

Aborde l'alimentation simultanée de sources de carbone, d'azote et de phosphore dans des milieux complexes. L'alimentation multi-nutriments équilibrée maximise les rendements en biomasse et en produit.

Leçon 4 • Optimisation du procédé fed-batch

Applique des méthodes d'optimisation dynamique pour maximiser la productivité ou le rendement sur un cycle fed-batch. Introduit le principe du maximum de Pontryagin et les approches d'optimisation numérique.

Leçon 1 • Fonctionnement du turbidostat et de l'auxostat

Explique le turbidostat et l'auxostat comme des cultures continues contrôlées par rétroaction maintenant des niveaux définis de biomasse ou de métabolites. Ces modes conviennent aux organismes avec des réponses de croissance complexes.

Leçon 2 • Théorie du chémostat et état stationnaire

Dérive les concentrations stationnaires de biomasse et de substrat en fonction du taux de dilution. Le chémostat est le modèle de référence pour toute analyse de bioréacteur continu.

Leçon 3 • Analyse de stabilité et de lavage

Analyse des conditions menant au lavage de la culture et identification des régions de fonctionnement stables. L'analyse de stabilité est essentielle pour un fonctionnement fiable du bioréacteur continu.

Leçon 4 • Distribution des temps de séjour

Introduit la théorie de la distribution des temps de séjour pour caractériser le mélange dans les réacteurs continus. Un écoulement non idéal affecte la conversion du substrat et la qualité du produit dans les systèmes continus.

Leçon 1 • Systèmes de chémostat multi-étages

Analyse les cascades de chémostats à deux étages et multi-étages pour découpler les phases de croissance et de production. L'étagement permet une optimisation indépendante de la biomasse et de la formation du produit.

Leçon 2 • Comparaison de la productivité entre les modes

Compare quantitativement les modes batch, fed-batch et continu à l'aide du rendement espace-temps et du titre. Fournit un cadre décisionnel pour la sélection du mode de fonctionnement optimal.

Leçon 3 • Systèmes de recyclage et de rétention cellulaire

Couvre la centrifugation, la filtration et la sédimentation pour le recyclage cellulaire afin d'augmenter la concentration de biomasse. Les systèmes de recyclage découplent le taux de dilution du taux de croissance spécifique.

Leçon 4 • Bioréacteurs à cellules immobilisées

Aborde les configurations en biofilm, en immobilisation sur billes et en lit fixe pour le fonctionnement continu. L'immobilisation empêche le lavage et permet un fonctionnement au-dessus du taux de croissance maximal.

Leçon 1 • Capteurs logiciels et estimation d'état

Explique les filtres de Kalman étendus, les observateurs et les capteurs logiciels basés sur des modèles pour les états non mesurés. Les capteurs logiciels fournissent des estimations en temps réel de la biomasse, du substrat et du produit.

Leçon 2 • Détection de défauts et surveillance des procédés

Couvre le contrôle statistique multivarié des procédés, l'analyse en composantes principales et les algorithmes de détection de défauts. La détection précoce des défauts prévient les échecs de lots et les pertes de produit.

Leçon 3 • Conception du contrôle par rétroaction et par anticipation

Couvre la conception des contrôleurs PID, le contrôle en cascade et les stratégies par anticipation pour les variables du bioréacteur. Une conception de contrôle appropriée maintient les paramètres critiques du procédé dans les spécifications.

Leçon 4 • Technologie analytique des procédés dans les bioréacteurs

Introduit les outils PAT, y compris la spectroscopie, les sondes de capacitance et l'analyse des gaz d'échappement. Les analyses en temps réel permettent un contrôle proactif des procédés et réduisent les échecs de lots.

Leçon 1 • Mélange et formation de gradients

Examine les gradients de substrat, de pH et d'oxygène dissous qui émergent à grande échelle en raison d'un mélange imparfait. Les gradients créent des environnements cellulaires hétérogènes et réduisent la productivité.

Leçon 2 • Défis de mise à l'échelle du transfert de masse

Analyse comment le taux de transfert d'oxygène et l'élimination du dioxyde de carbone changent avec l'échelle du réacteur. Maintenir un transfert de masse adéquat est le principal défi dans les bioréacteurs à grande échelle.

Leçon 3 • Validation du procédé à l'échelle pilote

Couvre la caractérisation du procédé, la conception d'expériences et la qualification de la performance à l'échelle pilote. Les données de validation soutiennent les soumissions réglementaires et la préparation à la fabrication.

Leçon 4 • Critères et stratégies de mise à l'échelle

Couvre la similarité géométrique, la puissance constante par volume et le temps de mélange constant comme critères de mise à l'échelle. Chaque critère a des implications différentes pour le transfert de masse et le stress de cisaillement.