La concentration en oxygène dissous est l’un des paramètres les plus critiques pour les cultures aérobies en bioréacteurs. De nombreuses études et publications ont montré son rôle capital dans l’optimisation des procédés (*).
Un contrôle précis de ce paramètre est alors indispensable. Ce contrôle précis sous-entend une régulation rigoureuse via les actionneurs du bioréacteur mais aussi et surtout une mesure stable et fiable.
Cette mesure même de l’oxygène dissous doit être la première étape de réflexion dans toute démarche d’optimisation d’un procédé.
De nouvelles technologies de sondes à oxygène dissous sont aujourd’hui développées. Leur but consiste à obtenir une mesure aussi stable et fiable que possible quelles que soient les conditions et perturbations du procédé.
Ce développement est centré sur 2 propriétés :
- la géométrie même de la sonde et le traitement de la surface de détection,
- le traitement du signal brut obtenu.
Une mesure fiable et stable grâce à une géométrie de sonde et un traitement de surface uniques
Certains procédés biotechnologiques et pharmaceutiques, notamment dans le domaine de la fermentation, requièrent une agitation et un apport en gaz conséquents.
Ces conditions particulières d’aération et de bullage créent des perturbations importantes dans le fermenteur se répercutant alors sur la mesure de la sonde à oxygène dissous.
En effet, les bulles s’accumulent sur la surface de détection. La pression partielle de l’oxygène dans ces bulles étant plus élevée que la pression partielle dans le bioréacteur, le signal de la sonde apparaît bruité.
Ce phénomène peut, de plus, être accentué par des cultures à forte densité.
Afin de minimiser voire annuler l’impact de ces perturbations, le design et les propriétés physiques des sondes à oxygène dissous ont été repensés.
- La surface de détection est inclinée à 45°
- Un traitement de surface est appliqué sur la sonde lui conférant des propriétés hydrophiles.
Ces innovations permettent aux bulles de glisser sur la sonde et minimisent leur accumulation au niveau de l’élément sensible de mesure.
Ainsi, le bruit est atténué, les erreurs de mesure sont considérablement réduites et dans de nombreux cas, éliminées.
En complément de ces innovations de design et de conception du capteur, le signal brut obtenu peut également être traité avec différents filtres afin d’améliorer encore un peu plus la stabilité de la mesure pour la régulation du procédé.
Une mesure fiable et stable grâce à une combinaison unique de filtres
Toujours avec ce même objectif de minimiser l’impact des perturbations dans un bioprocédé, perturbations volontaires (agitation, bullage, …) ou involontaires (injection de gaz non désirée, …), un traitement du signal brut à l’aide de différents filtres peut être mis en place.
Cette combinaison unique et avancée de filtres, appliquée à la mesure de la sonde à oxygène optique, permet de :
- réduire le bruit en supprimant les sauts de valeurs indésirables,
- détecter et filtrer les artéfacts dus aux bulles,
- obtenir un meilleur contrôle du point de consigne à des taux d'aération élevés,
- optimiser la mesure, en particulier dans les procédés avec injection pure d’oxygène,
- optimiser la régulation pour maximiser la viabilité, la production cellulaire et le rendement du procédé.
3 filtres sont disponibles :
- Output Filter : filtre de conditionnement du signal de sortie utilisé pour réduire le bruit,
- Bubble Filter: détecte et filtre les artefacts de mesure de l'oxygène dissous causés par des bulles de gaz,
- Hold Response Filter: filtre de recours s’activant lorsque les seuils définis pour le Bubble Filter sont dépassés.
Chaque filtre est réglable par l’utilisateur (On/Off, consignes, délais, limites) en fonction de son application et différentes options de configuration sont possibles.
Pour exemple :
- Output Filter seul, tout à fait suffisant pour des procédés lents et à faible bruit,
- Output Filter + Bubble Filter,
- Output Filter + Bubble Filter + Hold Response Filter.
Ceci permet, de manière simple et directe, la mise en place d’une stratégie avancée pour l’obtention d’un signal optimal.
Ainsi, ces nouvelles technologies de sondes à oxygène dissous, pouvant combiner innovation design et innovation dans le traitement du signal, permettent d’optimiser la mesure en la rendant plus fiable et plus stable.
Les données obtenues constituent alors un socle solide sur lequel baser la régulation de l’oxygène dissous, paramètre critique dans la performance d’un procédé.
La première étape de réflexion dans la démarche d’optimisation d’un procédé n’étant plus à faire, car prise en charge directement par la sonde, l’utilisateur peut à présent se concentrer sur les étapes suivantes avec, entre autres, l’optimisation des paramètres PID de la boucle de régulation !
* Références : Constantino Diaz, Pierre Dieu, Claude Feuillerat, Philippe Lelong, Marc Salomé (1995). Adaptive predictive control of dissolved oxygen concentration in a laboratory-scale bioreactor. Journal of Biotechnology 43 (1995) 21-32 ; Zahra Hajihassan, Pouria Gholami Tilko and Seyedeh Mahdieh Sadat (2018). Improved Production of Recombinant Human β-NGF in Escherichia coli, a Bioreactor Scale Study. Polish Journal of Microbiology Vol. 67, No 3, 355–363
