Reference : Etude de l'hydrodynamique au sein d'un bioréacteur à cuve agitée utilisé pour la culture...
Dissertations and theses : Doctoral thesis
Engineering, computing & technology : Chemical engineering
http://hdl.handle.net/2268/124023
Etude de l'hydrodynamique au sein d'un bioréacteur à cuve agitée utilisé pour la culture de cellules animales adhérentes sur microporteurs: Caractérisation expérimentale et théorique des écoulements via des outils eulériens et lagrangiens
French
Collignon, Marie-Laure mailto [Université de Liège - ULg > Département de chimie appliquée > Département de chimie appliquée >]
4-Jul-2012
Université de Liège, ​Liège, ​​Belgique
Docteur en Sciences de l'Ingénieur
314
Toye, Dominique mailto
Crine, Michel mailto
Pirard, Jean-Paul mailto
Heyen, Georges
Marchot, Pierre mailto
Delvigne, Frank mailto
Gilet, Tristan mailto
Dessoy, Sandrine mailto
Haut, Benoit mailto
Olmos, Eric mailto
[fr] cuve agitée ; écoulement turbulent ; culture de cellules animales sur microporteurs ; P.I.V. ; P.L.I.F. ; trajectographie optique ; mélange ; contraintes mécaniques
[fr] Cette thèse a été financée par le FNRS (Fonds National de Recherche Scientifique belge) via un mandat d’aspirant (1.1.2002.10.F, 78014). Elle a été réalisée au Laboratoire de Génie Chimique de l’Université de Liège sous la supervision des Professeurs Dominique Toye et Michel Crine. La thématique de recherche s’inscrit dans le cadre d’une collaboration scientifique entretenue depuis de nombreuses années entre le Laboratoire de Génie Chimique et la société pharmaceutique GlaxoSmithKline Biologicals. Elle concerne la culture de cellules animales adhérentes sur microporteurs en bioréacteur de type cuve agitée. Ce type de procédé est, en effet, largement utilisé dans l’industrie pharmaceutique pour produire des composés protéinés tels que des vaccins, des glycoprotéines et des anticorps monoclonaux. Le choix du design et des conditions d’agitation de ce type de bioréacteur est complexe car il doit répondre à deux objectifs antagonistes : maximiser le mélange du milieu de culture tout en minimisant les contraintes mécaniques qui peuvent agir sur les cellules animales, ces dernières étant réputées comme particulièrement sensibles à ces contraintes lorsqu’elles sont fixées à la surface de microporteurs. Pour aider à réaliser ce choix, nous avons développé dans cette thèse une méthodologie qui tente de décrire l’influence des conditions d’agitation sur l’environnement hydrodynamique local perçu par un élément de fluide en mouvement via une description combinée eulérienne et lagrangienne de l’écoulement turbulent au sein du bioréacteur.

Le Chapitre I a pour but de présenter l’état de l’art relatif à la culture de cellules animales adhérentes dans des bioréacteurs à cuve agitée, ainsi que d’introduire l’essentiel des notions théoriques qui seront utilisées dans la suite de la thèse. Il est divisé en quatre parties. La première partie présente les spécificités de la culture de cellules animales de mammifères et les défis technologiques associés. La deuxième partie introduit, en se basant sur diverses études antérieures, le problème central de cette thèse. La troisième partie présente l’approche adoptée dans cette thèse pour répondre au problème posé. L’originalité de l’approche adoptée est également mise en évidence. Dans la quatrième partie, les hypothèses nécessaires à ce travail sont présentées et validées sur base de résultats issus d’autres études publiées dans la littérature.

Le Chapitre II a pour but de sélectionner deux mobiles axiaux auxquels sera appliquée la méthodologie développée dans cette thèse. Pour ce faire, sept mobiles axiaux sont comparés sur base des contraintes mécaniques qu’ils génèrent, estimées à partir de la mesure de la puissance globale dissipée, lorsqu’ils tournent respectivement à leur vitesse minimale de maintien des microporteurs en suspension complète Njs. Cette comparaison permet de sélectionner les mobiles TTP 125 (d/T=0.4, Mixel) et EE 150 (d/T=0.5, Applikon).

Le Chapitre III est consacré à l’étude eulérienne détaillée de l’écoulement turbulent généré par les deux mobiles sélectionnés au chapitre précédent. Sur base de mesures 3D P.I.V., les champs moyens de vitesse dans cinq plans axiaux sont établis et analysés. Ce même exercice est réalisé pour les grandeurs caractéristiques de la composante turbulente de l’écoulement que sont l’énergie cinétique turbulente et son taux de dissipation. Grâce à ces données, la répartition spatiale des contraintes mécaniques au sein de l’écoulement turbulent est établie ; ce qui permet d’identifier au sein de la cuve des zones labélisées comme potentiellement problématiques pour le développement des cellules cultivées sur les microporteurs.

Dans le Chapitre IV, l’impact de gradients de concentration présents au sein de la cuve, suite à une injection de soude par exemple, est évalué. Dans ce but, le mélange au sein du bioréacteur a été étudié de manière globale par la mesure de temps de mélange et de manière locale par la mesure de l’évolution avec le temps de champs de concentration par la technique P.L.I.F. Ces mesures ont montré que le temps d’ « existence » des gradients de concentration est nettement inférieur aux temps caractéristiques relatifs à une modification du métabolisme cellulaire. Il en résulte que, dans la suite du travail, les champs de concentration seront supposés comme constants et uniformes au sein de la cuve agitée. Les hétérogénéités ponctuellement présentes après l’ajout de soude ne seront donc pas prises en compte dans la caractérisation Euler-Lagrange de l’écoulement.

La première partie du Chapitre V présente le principe et les outils de modélisation nécessaires à la mise au point et au fonctionnement du dispositif de trajectographie optique conçu et développé dans le cadre de cette thèse. Cette installation, tout à fait originale et unique, permet de suivre la trajectoire d’une particule au sein de la cuve agitée pendant des temps très longs et permet donc d’accéder à l’étude lagrangienne de l’écoulement. La seconde partie du chapitre est consacrée à la caractérisation des trajectoires mesurées. L’isoprobabilité de présence de la particule dans tout volume élémentaire de la cuve agitée a pu être confirmée. La validité et la convergence des résultats obtenus par trajectographie ont pu être vérifiées par comparaison des champs de vitesse calculés à partir des trajectoires avec ceux mesurés par 3D P.I.V.

Au Chapitre VI, les données eulériennes sont combinées aux données lagrangiennes afin de caractériser le lien entre la succession d’environnements hydrodynamiques perçus par des cellules fixées sur des microporteurs et les conditions d’agitation du bioréacteur. Cette caractérisation repose principalement sur l’analyse de la distribution de temps de séjour de la particule dans la zone labélisée comme problématique pour le développement cellulaire DTSzone , de la distribution de temps de séjour de la particule dans la zone non problématique DTShors zone ainsi que sur l’analyse des distributions de temps mis par la particule pour réaliser un cycle « visite de zone problématique-visite de zone non problématique » DTcycle. La taille des zones problématiques et non problématiques dépend de la valeur choisie pour le critère λK/dp, du type de mobile, ainsi que de sa vitesse de rotation. L’impact de ces trois grandeurs sur les distributions de temps a donc été analysé.

Cette thèse se clôture bien naturellement par un chapitre de conclusion résumant les informations acquises et proposant diverses perspectives
Laboratoire de Génie Chimique
Fonds de la Recherche Scientifique (Communauté française de Belgique) - F.R.S.-FNRS
Mandat d'Aspirant 1.1.202.10 .F
Researchers ; Professionals ; Students
http://hdl.handle.net/2268/124023

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