La conception du bioréacteur fermentaire comme système de production d'enzymes
Conception du fermentaire, production d'enzymes et qualité des enzymes
La forme du récipient est particulièrement importante pour la conception des fermenteurs en raison de son influence sur le contrôle de l'environnement interne du fermenteur, ce qui est essentiel pour la synthèse des enzymes cibles. En ce qui concerne le rapport hauteur/diamètre du récipient, un récipient plus haut est préférable, car il peut augmenter jusqu’à 30 % les niveaux d’oxygène dissous destinés aux micro-organismes nécessitant une forte teneur en oxygène. Le matériau du récipient est également crucial pour l’intégrité du produit final. La plupart des plastiques libèrent des produits chimiques et des enzymes, tandis que le verre borosilicaté y est moins sujet. Le choix approprié de l’agitateur peut être déterminant pour le mélange. Par exemple, une turbine standard de type Rushton peut assurer une uniformité de mélange de 95 % en moins de 10 secondes, même avec des bouillons très visqueux. Pour une production optimale d’enzymes sensibles telles que les lipases et les protéases, un contrôle rigoureux de la température est nécessaire afin de maintenir la température du fermenteur à ± 0,5 °C. Grâce aux systèmes de régulation adéquats, les fermenteurs modernes dotés d’une alimentation automatique basée sur le pH peuvent maintenir le rendement à ± 2 %, ce qui est optimal pour la production des enzymes cibles. Un positionnement soigneux des capteurs baffle afin d’éviter les zones mortes permettra d’éliminer l’accumulation de matière susceptible de nuire à la qualité des enzymes cibles.
Aération, mélange et gestion des contraintes de cisaillement en fermentation immergée.
Une bonne fermentation en milieu immergé repose entièrement sur un compromis adéquat entre le débit d'absorption d'oxygène du système, l'intensité de mélange et la maîtrise des contraintes mécaniques associées au système. Une contrainte de cisaillement excessive détruit les réseaux mycéliens essentiels, tandis qu'une agitation insuffisante entraîne des zones dépourvues d'oxygène. Les pores du diffuseur (sparger), dont le diamètre se situe généralement entre 10 et 200 microns, revêtent une importance capitale. Des pores plus petits favorisent une meilleure dispersion du gaz et du liquide, mais provoquent également une mousse accrue. Pour la fermentation fongique, la plage optimale des taux volumétriques de transfert de masse s'étend de 20 à 150, ce qui correspond également à la plage de croissance fongique maximale. Ces taux correspondent également à la croissance maximale du mycélium fongique, à la croissance maximale du mycélium fongique, à la croissance maximale du mycélium fongique, à la croissance maximale du mycélium fongique et à la croissance maximale du mycélium fongique. Une attention particulière est requise lors de la manipulation des actinomycètes, car ils sont très fragiles à des vitesses périphériques de l’agitateur supérieures à 2,5 m/s. En revanche, les souches de Bacillus se développent mieux dans des conditions d’écoulement turbulent avec déflecteurs, mais sans tourbillons destructeurs. Parmi les innovations récentes en matière de conception d’installations figurent l’utilisation de la dynamique des fluides numérique (CFD) afin d’identifier les zones soumises à des contraintes mécaniques et de concevoir des systèmes d’agitation adaptés à ces conditions spécifiques. Des agitateurs coaxiaux spécialisés sont nécessaires pour gérer le comportement non newtonien des bouillons riches en polysaccharides. Des mesures de viscosité en temps réel permettent aux opérateurs d’ajuster l’apport de puissance afin de maintenir le régime fluide de Casson souhaité.
Lorsqu’il s’agit de maîtriser les mousses, de nombreuses usines choisissent des agents antimousse sans silicone, car ils permettent de traiter les mousses sans nuire à l’efficacité de l’aération ni éliminer accidentellement les enzymes en solution.
Du micro-organisme de laboratoire à l’échelle commerciale : intensification du procédé pilotée par le fermenteur
Enzymes thermostables : opérations en fermenteur par lots, lots alimentés et continu
Le type de procédé de fermentation choisi joue un rôle déterminant dans la quantité d’enzymes thermostables pouvant être produites, ainsi que dans la manière dont ce procédé est contrôlé. Bien que les systèmes discontinus soient les plus faciles à contrôler et à exploiter, ils sont également les moins productifs en raison de la baisse de productivité qui intervient après la phase de croissance exponentielle. Ce défi est relevé par le procédé « fed-batch » (alimentation progressive), dans lequel les nutriments sont ajoutés progressivement afin de soutenir des rendements plus élevés en régime permanent. En effet, certaines publications spécialisées en bioprocédés rapportent des rendements d’enzymes thermostables jusqu’à 30 à 40 % supérieurs avec la méthode « fed-batch » par rapport à la méthode discontinue. La fermentation continue est idéale pour les enzymes actives sur de longues périodes, comme certaines protéases, car elle assure une productivité optimale. L’inconvénient est que les fonctionnements prolongés de ces systèmes tendent à accroître la fréquence des contaminations. Par conséquent, la plupart des fabricants trouvent le meilleur équilibre entre productivité et contrôle avec les systèmes « fed-batch », qui permettent de maintenir une production fluide plus longtemps que les autres méthodes et offrent un bon contrôle du taux de métabolisme, ainsi qu’une réduction du risque lié aux contaminations.
Surveillance en temps réel avec PAT : un meilleur contrôle des fermenteurs et une plus grande cohérence des enzymes
La technologie d'analyse des procédés (PAT) permet une surveillance en temps réel des fermenteurs biocatalytiques, notamment pour l’oxygène dissous, le pH, la biomasse et les concentrations de plusieurs autres métabolites. Les capteurs et les systèmes de rétroaction fournissent aux opérateurs des données immédiates leur permettant d’ajuster l’aération, les nutriments et l’agitation. Ce type de surveillance et de contrôle en temps réel réduit la variabilité d’un lot à l’autre d’environ 25 % et améliore la régularité de la production. Dans le cas de substrats contenant des enzymes thermostables, les systèmes PAT sont capables de détecter des variations subtiles de viscosité, ce qui indique le moment précis de l’expression maximale de l’enzyme. Cela permet d’optimiser et de maximiser la récolte sans surconsommation des ressources. En outre, les commandes automatisées de rétroaction surveillent les contraintes de cisaillement et contribuent à préserver l’intégrité structurelle et fonctionnelle des enzymes produites. Par-dessus tout, les systèmes PAT se distinguent par leur capacité à recueillir simultanément plusieurs données de commande dans les mesures nécessaires à la mise en œuvre d’un contrôle en boucle fermée. Il s’agit là de la clé de la constance de la qualité des enzymes, notamment lors de la production à grande échelle, et permet également de respecter les bonnes pratiques de fabrication (BPF).
Compromis économiques et réglementaires dans le choix des fermenteurs pour la production d'enzymes selon les bonnes pratiques de fabrication (BPF)
Fermenteurs à usage unique contre fermenteurs en acier inoxydable : considérations relatives à la flexibilité, aux coûts et aux compromis liés au cycle de vie
Pour les fermenteurs, le choix entre des systèmes à usage unique et des fermenteurs en acier inoxydable implique de concilier l’assurance de stérilité, les exigences en matière d’évolutivité et les considérations relatives aux coûts sur l’ensemble du cycle de vie, dans le cadre de la réglementation relative aux bonnes pratiques de fabrication (BPF).
Stérilité : les systèmes à usage unique ne présentent aucun risque de contamination croisée, puisqu’ils ne nécessitent ni nettoyage ni cycle de stérilisation ; toutefois, une validation rigoureuse du polymère doit être effectuée en ce qui concerne les substances extractibles et les substances migrables. Les cuves en acier inoxydable reposent sur des procédures validées de stérilisation en place (SIP) et de nettoyage en place (CIP) pour le contrôle microbien.
Évolutivité : Des opérations de fabrication à grand volume et en continu sont nécessaires pour une production à haut débit, et c’est dans ce domaine que l’infrastructure en acier inoxydable joue un rôle critique. En revanche, les plateformes à usage unique s’avèrent plus adaptées à une fabrication souple et multi-produits, où des changements rapides de campagne et des temps de configuration réduits sont requis.
Coût sur le cycle de vie : Bien que les fermenteurs en acier inoxydable nécessitent un investissement initial environ 40 % supérieur à celui des systèmes à usage unique, ils permettent, au-delà de cinq ans, des coûts d’exploitation inférieurs par lot ; avec les systèmes à usage unique, les coûts initiaux sont environ 60 % moins élevés, mais le coût des éléments jetables augmente rapidement — notamment à l’échelle commerciale — dans le cadre d’une fabrication par lots fermés.
En ce qui concerne les systèmes à usage unique, il est nécessaire que les entreprises gèrent la documentation relative aux matériaux tout au long du processus de production afin de procéder aux essais visant à détecter les substances extractibles, lesquelles sont également classées dans le cadre des bonnes pratiques de fabrication (BPF). Les équipements métalliques exigent également une documentation justifiant leur résistance à la corrosion, ainsi qu’une documentation attestant que ces équipements ont été correctement polis ou finis. Les autorités de régulation demandent également une nouvelle validation complète, conforme à leurs exigences spécifiques, pour les instruments F, E et M chaque fois que les entreprises souhaitent augmenter la capacité des équipements métalliques ou modifier cette capacité afin d’intégrer des systèmes à usage unique. Il est clair que les entreprises prennent conscience de ces facteurs, et celles qui réalisent, en amont, des audits rigoureux des fournisseurs intégrés et conçoivent des systèmes qualité « bouclés » s’alignent sur les spécifications limitatives relatives aux substances extractibles et lixiviables (EL) énoncées dans les documents ICH Q5A(R2) et USP 665, concernant le contrôle et les spécifications des matériaux de procédé.
FAQ
En quoi la conception d’un fermenteur influence-t-elle la biosynthèse des enzymes ?
Le fermenteur permet un contrôle précis des facteurs environnementaux qui influencent le rendement et la qualité de l’enzyme produite.
En quoi la fermentation sous-marinée pourrait-elle être plus efficace ?
Grâce à un contrôle équilibré de l’aération, du brassage et des contraintes appliquées. Un contrôle efficace de ces facteurs est essentiel pour obtenir une viscosité souhaitée, ce qui a une influence directe sur la production d’enzymes.
Quelles sont les différences entre les modes de fonctionnement en discontinu, en discontinu alimenté et en continu des fermenteurs ?
Les trois modes de fonctionnement des fermenteurs — lot, lot alimenté et continu — présentent chacun leurs propres avantages. Les systèmes par lots sont simples, mais la productivité diminue après la phase de croissance exponentielle. Les systèmes par lots alimentés permettent l’ajout de nutriments et favorisent ainsi des rendements plus élevés. Les systèmes de fermentation continue permettent la production la plus importante, mais comportent un risque accru de contamination. Les systèmes par lots alimentés semblent représenter un compromis optimal en termes de productivité, tout en offrant toutefois un meilleur contrôle.
Quelle est la signification de la technologie d’analyse des procédés (PAT) dans le contexte des opérations de fermentation ?
La surveillance en temps réel des paramètres du procédé permet d’effectuer les ajustements requis afin de se conformer aux bonnes pratiques de fabrication (BPF) et de maintenir le niveau de reproductibilité requis dans la production d’enzymes.
Quels sont les avantages et les inconvénients des fermenteurs à usage unique et des fermenteurs en acier inoxydable dans la fabrication d’enzymes ?
Les fermenteurs à usage unique sont moins coûteux au départ, mais chaque lot entraîne un coût plus élevé par rapport aux fermenteurs en acier inoxydable, qui présentent un coût initial plus élevé, mais deviennent moins coûteux après un plus grand nombre de lots, en plus de permettre une meilleure évolutivité pour une fabrication à haut débit plus économique.