Volume utile, organisme, oxygène, automatisation et validation : les cinq questions qui vous aideront à choisir le bioréacteur ou le fermenteur adapté à votre procédé.
Lorsque l’on compare les caractéristiques d’un bioréacteur, la donnée qui retient le plus souvent l’attention est le volume nominal. Or, c’est celle qui influe le moins sur la réussite d’un projet.
Un équipement bien choisi se définit par cinq critères : le volume utile dont vous avez besoin, le type d’organisme que vous cultivez, les besoins en oxygène de votre culture, le niveau de contrôle que vous exigez et les exigences de validation de votre secteur.
Chez Techmi Group, nous fabriquons des bioréacteurs et des fermenteurs d’une capacité allant de 0,25 L à 30 000 L. Dans cet article, nous passons en revue ces cinq questions et indiquons quel équipement de notre gamme répond à chacune d’entre elles. Du laboratoire à l’usine industrielle.
1. Quelle est ta charge de travail réelle et à quelle étape de développement en es-tu ?
Le volume nominal d’un réservoir ne correspond pas à son volume utile. La mousse, l’aération et l’espace libre limitent la quantité de milieu que vous pouvez charger. Le Techmi Bio 500 fonctionne entre 200 et 400 L ; le Techmi Bio 1000, entre 800 et 900 L ; et les fermenteurs à solides fonctionnent avec un taux de remplissage compris entre 30 % et 50 %. Choisissez toujours la taille en fonction du volume de travail.
La deuxième partie de la question est de savoir à quelle étape du processus de mise à l’échelle vous en êtes, car chaque étape nécessite une équipe différente :
- Développement et laboratoire (0,25 à 10 L). Le Techmi Bio Lab avec cuve en verre constitue le point de départ. Si vous avez besoin de comparer différentes conditions, la version à double cuve permet de mener deux cultures en parallèle ou séparément, tandis que la station à plusieurs tubes permet de procéder à un criblage de souches et d’optimiser les milieux de culture grâce à un contrôle indépendant de chaque tube.
- Échelle pilote (20, 30 et 50 L). Le Techmi Bio Pilot et le Techmi Bio Pharma, en acier inoxydable 316L, reproduisent des fermentations dans des conditions proches de celles de l’industrie. Il s’agit de la première étape d’un processus de mise à l’échelle.
- Petite ou moyenne production (500 à 1 000 L). Ces modèles conviennent aussi bien à la production qu’à une étape intermédiaire vers des volumes plus importants. Le Bio 1000 peut être fourni en version double, avec deux fermenteurs.
- Production industrielle (jusqu’à 30 000 L). Le fermenteur industriel Techmi Bio 30 000 L est conçu sur mesure en fonction du procédé.
Laboratoire → Installation pilote → Production industrielle
Si votre processus doit être mis à l’échelle, il est préférable de définir la chaîne complète dès le départ. Une chaîne de fermentation à grande échelle intègre des fermenteurs d’une capacité de 20 à 30 000 litres, de sorte que chaque étape soit conçue pour alimenter la suivante et qu’il ne soit pas nécessaire de revoir la conception entre l’une et l’autre. Si vous souhaitez en savoir plus, nous vous expliquons tout cela dans l’article Quelle est l’importance de choisir le bioréacteur adapté à l’avenir de vos bioprocédés ?
2. Quel organisme cultivez-vous et quelles sont vos exigences vis-à-vis de l’équipe ?
Les bactéries, les levures, les champignons filamenteux ou les cellules n’ont pas les mêmes besoins. La viscosité du bouillon, la sensibilité au cisaillement et la tendance à former de la mousse déterminent le type d’agitation, le mode de fermeture et la stratégie anti-mousse.
Par exemple, le Techmi Bio Lab sert à cultiver des micro-organismes tels que Bacillus subtilis, Trichoderma harzianum, Bradyrhizobium japonicum ou Rhizobium phaseoli, destinés à la production d’enzymes, de bio-intrants et de biofertilisants.
Les choix de conception qui varient selon l’organisme sont les suivants :
- Matériau du réservoir : verre avec fond ovale et chemise d’eau en laboratoire (0,25 à 10 L) ; acier inoxydable 316L à partir de 20 L.
- Système d’agitation. Le Bio Lab agit entre 50 et 2 000 tr/min avec une précision de ±1 tr/min. Sur les appareils de 20 à 50 L, vous pouvez choisir entre un entraînement direct par le haut ou un accouplement magnétique par le bas, ce qui évite que l’arbre ne traverse la paroi de la cuve : un avantage lorsque la culture est longue et que le risque de contamination doit être réduit au minimum.
- Type de fermentation. Si votre organisme se développe mieux sur un substrat solide que dans un milieu liquide, vous aurez besoin d’un autre type de réacteur.
Pour la fermentation en milieu solide, le Techmi Bio Fes FSS est un fermenteur horizontal à tambour agité, équipé de pales internes à flux axial et radial, qui tourne entre 0 et 22 tr/min grâce à un moteur réversible. Il permet de contrôler la température, la vitesse d’agitation et l’humidité ; il est fabriqué en acier inoxydable 316L et est disponible dans des capacités allant de 10 à 1 000 L, ainsi qu’en dimensions sur mesure. C’est la solution idéale pour la sporulation de Trichoderma, la production d’enzymes, de probiotiques et de biofertilisants à partir de grains, de cosses de céréales ou d’autres résidus agricoles.
La question fondamentale est simple : votre culture se développe-t-elle en milieu liquide ou sur un support solide ? C’est de cela que dépend la gamme d’équipements que vous devez envisager.
3. De quelle quantité d’oxygène votre culture a-t-elle besoin au pic de demande ?
Le transfert d’oxygène constitue le goulot d’étranglement le plus courant lorsqu’un processus aérobie passe du laboratoire à l’usine. La vitesse à laquelle vous pouvez apporter de l’oxygène dissous au bouillon s’exprime ainsi :
OTR = kLa · (C* – CL)
Où C* est la solubilité de l’oxygène dans les conditions de fonctionnement et CL est la concentration d’oxygène dissous dans le bouillon. Le coefficient kLa dépend de l’agitation, du débit d’air, de la pression, de la géométrie de la cuve et des propriétés du milieu.
Ce que l’équipement doit couvrir, ce n’est pas la demande moyenne de la culture, mais la demande de pointe, qui survient généralement à la fin de la phase exponentielle ou pendant l’alimentation en fed-batch.
Lorsque vous évaluez un bioréacteur, vérifiez trois éléments :
- Plage de vitesse d’agitation. Nos trains d’agitation couvrent une plage de 50 à 1 000 tr/min en fonction de la taille de la cuve, et le Bio Lab atteint 2 000 tr/min en laboratoire.
- Pression de fonctionnement. Dans les fermenteurs à grande échelle, elle peut être réglée jusqu’à 3 bars, ce qui augmente la solubilité de l’oxygène.
- Contrôle de l’oxygène dissous (OD). Les chaînes de mise à l’échelle le contrôlent de 0 à 100 % avec une précision de ±0,1 %.
Demandez toujours au fabricant la valeur OTR maximale ou le kLa de l’équipement dans vos conditions de procédé, et mesurez-la à petite échelle avant de passer à l’échelle industrielle. Le Bio Lab à double cuve est conçu, entre autres, pour les études de cinétique, de transfert d’oxygène (kLa) et de mise à l’échelle, ce qui vous permet d’obtenir les données de départ avant de décider de la taille définitive de l’équipement.
4. De quel niveau d’automatisation avez-vous besoin ?
L’automatisation n’est pas un simple plus : elle détermine la reproductibilité d’un lot à l’autre et la charge de travail manuel requise pour chaque fermentation. Le niveau approprié dépend de l’étape :
- Laboratoire. Le Bio Lab et le Bio Lab à double cuve intègrent un contrôle de la température, du pH, de l’oxygène dissous et de l’agitation, avec quatre pompes péristaltiques pour le dosage d’acide, de base, d’anti-mousse et de milieu. Ils prennent en charge les procédés en batch et en fed-batch, et leur écran tactile couleur enregistre les données avec traçabilité. La station à plusieurs récipients offre un contrôle indépendant par récipient et permet de stocker des recettes de procédé.
- Pilote. Les équipements de 20 à 50 L intègrent un automate programmable Siemens avec écran tactile de 10 pouces, une régulation PID à réglage automatique et des consignes sous forme de courbes segmentées. Ils comprennent des alarmes de niveau et de mousse avec réapprovisionnement et ajout automatique d’anti-mousse, un journal des événements, des rapports de lot et une gestion des mots de passe.
- Industriel. Les équipements de 500 et 1 000 litres sont équipés de cinq électrodes pour le contrôle automatique, de pompes péristaltiques de remplissage, d’un couvercle à levage automatique et d’un automate programmable Siemens de la série S7-1200. Les fermenteurs industriels et à solides sont en outre dotés d’un système de surveillance à distance et d’une automatisation sur mesure.
Avant de faire votre choix, répondez à trois questions : votre processus est-il de type batch ou fed-batch? Avez-vous besoin d’une traçabilité complète des données de chaque lot en vue d’un audit ? Et l’équipement doit-il s’intégrer au système SCADA ou au système de contrôle de votre usine ? Une réponse affirmative à la deuxième ou à la troisième question vous orientera vers un niveau d’automatisation supérieur à celui d’un simple contrôleur de bureau.
5. Quelles sont les exigences de validation et de documentation dans votre secteur ?
On ne valide pas de la même manière un intrant agricole biologique qu’un procédé pharmaceutique, et le coût d’une erreur de niveau apparaît à la fin du projet, alors que l’installation est déjà en place.
En matière de conception, voici les points qu’il convient de vérifier :
- Acier inoxydable 316L et absence d’angles morts dans la cuve, ce qui facilite le nettoyage et réduit le risque de contamination.
- Vannes spéciales de prélèvement et de vidange, tant dans la cuve que dans les conduites de transfert.
- Nettoyage et stérilisation en place (CIP/SIP) dans les lignes de production.
- Construction conforme aux normes GMP. Le Techmi Bio Pharma, d’une capacité de 20 à 50 litres, est conçu pour les laboratoires et les processus soumis aux normes GMP.
En matière de documentation et de qualification, définissez dès l’URS, et non à la fin, ce que votre auditeur ou votre client vous demandera : le dossier documentaire de l’équipement, les essais de réception en usine et sur site (FAT et SAT) ainsi que les qualifications d’installation, d’exploitation et de performance (IQ, OQ et PQ). Si votre processus relève du secteur pharmaceutique, vérifiez également comment le système de contrôle gère l’intégrité des données : accès par utilisateur avec mot de passe, journal des événements et des alarmes, et traçabilité de chaque lot.
Demandez toujours au fabricant, par écrit, quelle documentation il fournit et quelles normes s’appliquent à chaque équipement en particulier.
Quel équipement de la gamme correspond à chaque étape ?
Présentation de la gamme de bioréacteurs et de fermenteurs de Techmi Group en fonction de leur taille et de leur utilisation.
| Équipe | Échelle | Utilisation principale | Contrôle et automatisation |
|---|---|---|---|
| Techmi Bio Lab | 0,25 à 10 L (verre) | R&D, mise au point de procédés, enzymes et bio-intrants | Agitation de 50 à 2 000 tr/min, quatre pompes péristaltiques, en mode batch et fed-batch |
| Bio Lab à double cuve | 0,25 à 10 L | Essais comparatifs en parallèle, études de kLa et mise à l’échelle | Température ±0,1 °C, pH, oxygène dissous et agitation, enregistrement et traçabilité |
| Station de fermentation multi-récipients | Plusieurs verres de petit volume | Criblage de souches et optimisation des milieux de culture | Réglage indépendant par verre, de 0 à 1 000 tr/min, recettes enregistrables |
| Techmi Bio Pilot | 20, 30 et 50 L (316L) | Mise à l’échelle, obtention des paramètres, amplification de la souche | Automate Siemens, écran de 10 pouces, régulateur PID à réglage automatique, rapports de lot |
| Techmi Bio Pharma | 20, 30 et 50 L (316L) | Procédés nécessitant le respect des bonnes pratiques de fabrication (BPF), pharmaceutiques et biotechnologiques | Courbes par tronçon, alarmes de niveau et de mousse, journal des événements |
| Techmi Bio 500 | 500 L (200 à 400 L de capacité de travail) | Petite production et étape intermédiaire des trains | Cinq électrodes, API Siemens S7-1200, couvercle à levage automatique |
| Techmi Bio 1000 | 1 000 L (800 à 900 L de capacité utile) | Petite ou moyenne production, version double avec deux cuves | Cinq électrodes, API Siemens S7-1200, couvercle à levage automatique |
| Train de montée en échelle de fermentation | 20 à 30 000 L | Chaîne complète de mise à l’échelle avec CIP/SIP | Température ±0,1 °C, pH 2 à 12 (±0,01), oxygène dissous 0 à 100 %, jusqu’à 3 bars |
| Industrial 30.000 L | Jusqu’à 30 000 L, sur mesure | Grandes productions industrielles | Automatisation et flux sur mesure, surveillance à distance |
| Bio Fes FSS | De 10 à 1 000 L et sur mesure (solides) | Fermentation en milieu solide des champignons | Température, humidité et vitesse (0 à 22 tr/min), SCADA et surveillance à distance |
Liste de contrôle pour ton URS
Avant de demander un devis, vérifie que ton cahier des charges répond aux points suivants :
- Volume de travail (non nominal) et étape de la chaîne de production à laquelle l’équipement sera utilisé.
- Organisme, type de fermentation (en immersion ou sur lit solide) et exigences en matière d’agitation, de cisaillement et de mousse.
- Besoin maximal en oxygène (OUR) et valeurs d’OTR ou de kLa garanties par le fabricant.
- Mode de fonctionnement (batch ou fed-batch), niveau d’automatisation, enregistrement des données et intégration avec le système SCADA.
- Matériaux, conception hygiénique, CIP/SIP et réglementation applicable (BPF ou autre).
- Documents et qualifications requis : FAT, SAT, IQ, OQ et PQ.
- Documents et qualifications requis : FAT, SAT, IQ, OQ et PQ.
Répondre à ces questions avant de demander un devis permet d’éviter de surdimensionner l’équipement, de réduire le nombre d’itérations de conception et d’accélérer la mise en production du premier lot.
Car bien choisir un bioréacteur, ce n’est pas choisir le plus grand : c’est choisir celui qui répond le mieux à votre processus, aujourd’hui et à chaque étape.
Vous envisagez d’acheter un bioréacteur ou vous avez besoin de faire évoluer un procédé existant ? Notre équipe peut examiner votre cas et vous aider à définir la solution adaptée à chaque étape. Écrivez-nous à info@techmigroup.com ou contactez-nous.