Yannick MANON

Durant les cultures cellulaires en bioréacteur, la physiologie des micro-organismes et les paramètres physico-chimiques (alimentations en gaz et en substrat, agitation, température, pH, pression) interagissent très fortement. La spécificité des bioréactions microbiennes, en relation avec les couplages irréductibles entre les transferts de chaleur, de matière et de quantité de mouvement, réside dans la complexité (milieu triphasique) et la dynamique (bioréaction autocatalysé) de ces systèmes. L’objectif de ce travail est de progresser dans la compréhension et le contrôle dynamique des intéractions entre les aspects biologiques et les aspects physiques à différentes échelles (macro, micro et moléculaire) pour conduire la réaction biologique vers l’objectif défini (production de biomasse, de métabolites intra ou extra cellulaires, …) et l’optimiser. Les cellules (concentration, forme, dimension, physiologie, …) affectent fortement les propriétés physico-chimiques des moûts et par consé...

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of scientific research documents, whether they are published or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Characterization of mycelial transition of Yarrowia lipolytica during oxidative cultures: comparison of optical methods and their limitation, impact of morphology on rheological behavior Luc Fillaudeau, Yannick Manon, Hazar Kraiem, Asma Timoumi, Tien Cuong Nguyen, Tuan Le, Dominique Anne-Archard, Carine Bideaux, Nathalie Gorret, Carole Molina-Jouve

Rheological behaviour of culture broth stands as a fundamental parameter in bioprocess performances because it affects simultaneously the heat and mass transfer as well as the flow pattern. On-line measurements of rheological behaviour are hardly compatible with the operating condition with respect to accurate and stringent conditions imposed by cell culture strategy. Our scientific and technical objectives are (i) to develop and identify an experimental device enabling on-line rheometry and (ii) to discuss and compare on-line and off-line measurements. In this aim, a bioreactor was equipped with a derivation loop including a specific on-line rheometric device as well as additional physical and biological measurements (specific density, mass flow rate, electrical conductivity, pH, pO2 and temperature) during microbial cell cultures. In a first time, friction curves of calibrated ducts were established with Newtonian and non-Newtonian shear-thinning fluids. In a second time, axenic c...

Identification of physical and biological interactions in cell cultures in a bioreactor: On-line and off-line rheological characterization. 12. Congres de la Societe Francaise de Genie des Procedes (SFGP 2009) "Pour relever les defis industriels du XXIeme siecle"

Durant les cultures cellulaires en bioreacteur, la physiologie des micro-organismes et les parametres physico-chimiques (alimentations en gaz et en substrat, agitation, temperature, pH, pression) interagissent tres fortement. La specificite des bioreactions microbiennes, en relation avec les couplages irreductibles entre les transferts de chaleur, de matiere et de quantite de mouvement, reside dans la complexite (milieu triphasique) et la dynamique (bioreaction autocatalyse) de ces systemes. L’objectif de ce travail est de progresser dans la comprehension et le controle dynamique des interactions entre les aspects biologiques et les aspects physiques a differentes echelles (macro, micro et moleculaire) pour conduire la reaction biologique vers l’objectif defini (production de biomasse, de metabolites intra ou extra cellulaires, …) et l’optimiser. Les cellules (concentration, forme, dimension, physiologie, …) affectent fortement les proprietes physico-chimiques des mouts et par consequent, les performances des bioprocedes (vitesses specifiques, rendements, productivite). Le comportement rheologique particulier du mout est souvent utilise pour comprendre l’impact de la biomasse microbienne sur le rendement et les performances du bioprocede. Dans ce travail, des cultures axeniques, definies comme des cultures pures de microorganismes unicellulaires procaryote et eucaryote, sont considerees. Notre approche s’appuie sur des mesures physiques et physico-chimiques en ligne et hors ligne realisees sur un bioreacteur instrumente, mesures qui sont mises en place de facon a respecter les conditions imposees par les contraintes biologiques propres aux microorganismes et a la strategie de culture choisie. Des cultures d’Escherichia coli et d’Yarrowia. lipolytica, a taux de croissance controle par l’apport de substrat, ont ete realisees dans une gamme de concentration allant de 0.1 a 100 g l-1. Le bilan qui peut etre dresse pour ce travail, tant sur les aspects scientifiques que technologiques, est le suivant : conception et realisation d’un outil d’investigation original construit sur la base d’un bioreacteur (20 l) et pourvu d’une boucle de recirculation instrumentee pour la mesure, identification hydrodynamique (courbes de frottement) de conduites calibrees permettant la viscosimetrie en ligne durant une culture cellulaire, conception, developpement et validation d’un code, LoCoPREL, permettant simultanement le controle de la culture cellulaire suivant une strategie definie, la gestion de sequences de debit dans la boucle de derivation et l’acquisition des donnees issues de l’instrumentation specifique employee, comparaison des mesures realisees en ligne a debit constant ou selon des sequences de debit, mise en evidence du comportement non newtonien des mouts et d’ecarts entre les mesures en ligne et hors ligne, analyse des mesures physiques realisees en ligne et hors ligne, en lien avec les performances de la culture.------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------During cell cultures in bioreactors, micro-organism physiology closely interacts with physico-chemical parameters such as gas and feed flowrates, mixing, temperature, pH, pressure. The specificity of microbial bioreactions in relation with irreductible couplings between heat and mass transfers and fluid mechanics, led into complex (three-phase medium) and dynamic (auto-biocatalytics reaction) systems. Our scientific approach aims to investigate, understand and control dynamic interactions between physical and biological systems at different scales (macro, micro and molecular) for molecules, strains and/or bioprocess innovation. Cells (concentration, shape, dimension, physiology…) strongly affect physico-chemical properties of broth. Then the modification of these characteristics interacts with bioprocess performances (specific rates, yields…) with an improvement or, more frequently, a decrease of yields. Among these properties, rheological behaviour is a strategy widely used to understand the impact of cells and the derivation of bioprocess performances. In this manuscript, axenic cultures, defined as cultures of a pure and unicellular Prokaryote and Eukaryote microorganisms in bioreactors, are considered. Our approach is based on physical and physico-chemical on-line and off-line measurements in respect with accurate and stringent conditions imposed by cell culture strategy. Escherichia coli and Yarrowia lipolytica cultures were investigated with a control of growth rate by carbon feed in the range from 0.1 up to 100 g l-1. Our scientific and technical actions and results led: to design and realize an original pilot based on a bioreactor (20 l) with a derivation loop including a specific on-line rheometric device as well as additional physical and biological measurements, to identify, from a hydrodynamic…