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Le photobioréacteur est largement présent dans un grand nombre de laboratoires, qu’ils soient d’enseignement, de recherches fondamentales ou appliquées. Les exigences de l’être vivant qui y est introduit définissent des conditions de vie qu’on s’applique à respecter.
Conserver la pureté de la culture
L’utilisation d’un bioréacteur contrôlé évite la contamination du réacteur par une autre souche que celle que l’on désire cultiver. En effet, il existe de très nombreuses souches de bactéries naturellement présentes dans notre environnement (inoffensives ou pathogènes) qui pourraient se développer dans le milieu de culture utilisé par la souche que l’on produit, occasionnant de graves dysfonctionnements. Pour se prémunir, on stérilise le bioréacteur et son milieu de culture (le milieu nutritif contenant tous les éléments nécessaires à la croissance) avant d’y introduire l’inoculum (la quantité initiale de cellules de la souche à cultiver). La meilleure solution est généralement une stérilisation par la chaleur (on utilise de la vapeur à 121 °C pendant au moins 20 minutes). Il faut ensuite bien veiller à garder cette stérilité chaque fois que l’on désire introduire quelque chose dans le bioréacteur.
Maîtriser les paramètres physico-chimiques
Pour ce qui concerne le pH et la température, un micro-organisme donné fonctionne de façon optimale pour une plage assez réduite, dépendant le plus souvent des conditions de son milieu naturel. La régulation d’un paramètre nécessite toujours un capteur et un actionneur. Le capteur mesure la grandeur que l’on souhaite contrôler (la température ou le pH), et l’actionneur permet d’agir pour corriger un éventuel écart observé avec une consigne (respectivement une électrovanne laissant circuler un liquide chaud ou froid, ou une pompe envoyant un acide ou une base). L’actionneur est commandé par un régulateur dans lequel on implante une loi de commande plus ou moins complexe qui permet de gérer l’écart observé entre la mesure du paramètre et sa consigne.
L’agitation est également un paramètre important sur un bioréacteur, car il faut s’assurer qu’il existe un brassage suffisant des cellules et du milieu de culture, de façon à éviter l’existence de gradients de concentration ou de zones mortes qui ne fonctionneraient pas de façon optimale dans le réacteur. A contrario, une agitation trop importante n’est pas forcément supportée par les micro-organismes, surtout s’ils sont pluricellulaires comme beaucoup de cyanobactéries ou de micro-algues.
Il existe plusieurs façons d’agiter le contenu d’un réacteur : soit le réacteur est agité mécaniquement ou par injection de gaz, soit l’agitation est essentiellement assurée par la turbulence de l’écoulement. L’agitation est également un facteur très important influençant fortement l’efficacité du transfert gaz-liquide au sein du réacteur. Ce point est crucial lorsque l’on veut échanger de la matière entre ces deux phases, comme c’est le cas pour un photobioréacteur régénérateur d’atmosphère dans lequel on souhaite échanger le dioxyde de carbone contre le dioxygène produit par photosynthèse (projet Biorat).
Enfin, sur un photobioréacteur, il est important de connaître et de contrôler l’intensité lumineuse incidente sur le réacteur, car elle est à la base de la vitesse de production de la biomasse ou de l’oxygène.
Types de fonctionnement d’un réacteur
Soit il s’agit d’un réacteur fonctionnant en discontinu, c’est-à-dire que l’on met au départ une quantité de nutriments définie dans le milieu ainsi que l’inoculum, et que l’on laisse croître la biomasse (sa concentration augmente dans le temps en même temps que diminuent les concentrations en nutriments) jusqu’à ce qu’elle épuise un constituant, ce qui termine la culture (et l’on doit nettoyer le réacteur pour démarrer un autre cycle).
Soit le réacteur fonctionne en continu, c’est-à-dire qu'on l’alimente en permanence avec du milieu frais, et que l’on soutire la biomasse produite avec le même débit (pour garder constant le volume du réacteur). Dans ce dernier cas, il faut calculer le débit pour que la croissance se fasse pendant le temps de séjour dans le réacteur (on parle de régime permanent car alors aucune concentration dans le réacteur ne varie dans le temps) ; c’est-à-dire que l’on équilibre rigoureusement deux phénomènes dynamiques en égalant le temps caractéristique du lessivage du réacteur par le milieu frais au temps caractéristique de la vitesse de croissance du micro-organisme.
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