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 :
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.
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.
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 :
3 filtres sont disponibles :
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 :
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