Transfert d'oxygène en condition de culture microbienne intensive

Oxygen transfer in intensive microbial cultures

• Auteur / Autrice : Mathias Fyferling
• Direction : Gérard Goma
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie et biocatalyse industrielles
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion (physique)

Transfert de masse

Eau -- Teneur en oxygène

Microorganismes -- Croissance

Microorganismes -- Respiration

Microbiologie industrielle

Microorganismes d'intérêt industriel

Microorganismes -- Biotechnologie

Mots clés libres

Transfert d'oxygène

Bioréacteur

Coefficient de transfert d'oxygène

Aération de surface

Résumé

L'objectif des travaux est la quantification et la modélisation du transfert d’oxygène en condition de production microbienne afin de contribuer à l’intensification des performances des bioprocédés. Les travaux expérimentaux sont réalisés en bioréacteur, en milieux minéraux exempt de réaction biologique, puis lors de cultures fed-batch d’Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae et Aspergillus niger. Le domaine d'investigation est original de par les fortes consommations volumiques d’oxygène (0,6 g. L-1. H-1) et puissances dissipées (35 kW. M-3) utilisées. Le coefficient de transfert d’oxygène est déterminé à l'aide de différents modèles non structurés (pour la prise en compte du mode d’écoulement des phases, de l’entraînement de surface et de la rétention gazeuse sur des régimes transitoires ou permanents. Il est notamment observé que, en présence de réaction biologique, (i) les valeurs du coefficient de transfert KT sont 5 à 10 fois supérieures à celles mentionnées dans la littérature relative au transfert d’oxygène, (ii) par comparaison aux milieux de culture avant ensemencement, KT et KL (la conductance de transfert) sont divisés d’un facteur 4 à 6. Les effets de l'activité cellulaire sur le transfert d'oxygène sont caractérisés par la quantification des facteurs d'accélération relatifs aux modifications chimiques du milieu, à la consommation d'oxygène, et à la présence physique de cellules. Les limites des modèles du transfert d'oxygène en culture microbienne intensive sont discutées, et des nouvelles voies d'investigation sont proposées

This work aims to quantify and model oxygen transfer in microbial cultures with an objective of intensification of bioprocess performances. Labworks in bioreactors are achieved in mineral media, free from biological reaction, then in fed-batch cultures of Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae and Aspergillus niger. The fieldwork is original because of the high oxygen consumptions rates (0,6 g. L-1. H-1) and the high dissipated power (35 kW. M-3) used. The oxygen transfer coefficient is determined from continuous and dynamic methods, using several unstructured models, to take into account the profile of the dispersed gaseous flow, the gas entrained from the surface, and hold-up. Among the observations, in biological media, (i) values of the oxygen transfer coefficient KT are 5 to 10 times higher than values from the literature on oxygen transfer, (ii) compared with the initial medium prior to inoculation, KT and KL (the oxygen transfer conductance) are 4 to 6 times smaller. Effects of microbial activity on oxygen transfer are characterised and quantified according to enhancements factors related to chemical modifications of the medium, oxygen consumption, and physical presence of cells. Limits of mass transfer models in intensive microbial cultures are discussed and new areas of investigation are proposed.