Brevet FR2647118A1 — publié le 19901123

La présente invention est du domaine des techniques de la biologie, et elle a plus particulièrement pour objet un module de cytogénérateur destiné notament à la culture de cellules pour en obtenir des métabolites à usage alimentaire, pharmaceutique, chimique ou autre. On rappelle qu'il est quelquefois avantageux de cultiver les cellules vivantes dans un espace relativement confiné dans lequel on introduit les substances nécéssaireB à la biosynthèse, et duquel on extrait les produits de dégradations ainsi que les substances synthétisées, ces dernières étant souvent les produits recherchés. Ainsi on connait par un brevet FR-2.393.849 (BATELLE) un procédé de biosynthèse de l'insuline suivant lequel des cellules sont cultivées dans un ou plusieurs espaces circulaires de culture séparés par des membranes, d'un milieu de culture ; dans le cytogénérateur de mise en oeuvre du procédé, des espaces de milieu nutritif alternent avec des espaces de culture ; le milieu nutritif aussi bien que le milieu de culture dans lequel baignent les cellules peuvent être mis en circulation pour être traités recyclés ou éjectés.Un tel cytogénérateur ne permet pas l'introduction d'oxygène, si la culture est du type aérobie ; de plus les métabolites, et en particuliers ceux qui ont les poids moléculaire les plus faibles, donc qui sont les plus dégradés et de ce fait souvent les moins intéressants économiquement et les plus nocifs à la culture, sont mélangés avec les substances synthétisées à haut poids moéculaire, qui sont généralement les substances recherchées par l'opération de culture, et avec les produits nutritif's. Pour ces raisons notamment les cytognérateurs de ce type se sont révélés de faible rendement et, de ce fait, d'exploitation coûteuse. On a proposé ultérieurement, notamment par le brevet FR-2.580.514 (LYONNAISE DES EAUX) une structure de cytogénérateur dans laquelle des fibres creuses délimitent les espaces de culture et constituent les membranes à travers lesquelles s'opèrent les échanges certaines des fibres comportent des canaux d'adduction et de pérméation gazeuse ; ces derniers cytogénérateurs ont des performances quantitatives assez élevées en raison de l'importance de la surface d'échange, mais ils ont l'inconvénient d'être limités à certaines cultures, en raison de la limitation du choix de la perméabilité des membranes, liée elle-même à leur structure creuse particulière.En outre il est difficile dans de tels cytogénérateurs d'extrapoler les résultats d'éssais, sauf à multiplier le cytogénérateur de base pour travailler en parallèle sur un ensemble: La présente invention a pour objectif de proposer des éléments de constitution d'un module de base facilement transformable par groupage de modules semblables en un cytogénérateur de performances élevées, sans avoir à extrapoler les résultats et les conditions établis avec le module de base, et cela à un coût avantageux ; un autre objectif de l'invention est de proposer une structure de cytogénérateur qui permette une sélection, au moins primaire, des métabolites, de façon à améliorer le rendement du cytogénérateur et la durée de vie des cellules. Les objectifs susvisés sont atteints par un cytogénérateur de l'invention, du genre dit modulaire, constitué d'une pluralité de cellules élémentaires, ou modules, divisées en compartiments, par exemple trois, par une ou plusieurs parois ou membranes destinées à permettre l'échange à travers elles de produits nutritifs ou de déchets, le cytogénérateur de l'invention étant principalement caractérisé en ce qu'au moins l'un des éléments de cellule est constituté d'un disque de matériau céramique d'une certaine épaisseur, dans au moins l'une des faces circulaires duquel ont été ménagés des canaux concentriques ou pseudo-concentriques, séparés par des cloisons mais communiquant entre eux pour former un compartiment unique. Il résulte en premier lieu de cette disposition principale, et en raison d'une porosité choisie du matériau céramique, la possibilité de faire passer un gaz à travers la paroi d'un disque, en second lieu, en raison de la nature céramique du matériau constitif des éléments, une grande stabilité dimensionnelle et la facilité d'une fabrication précise de ceux-ci. Suivant -une caractéristique secondaire avantageuse les dits canaux forment, par paire, une double spirale, les deux canaux de chaque paire étant en communication de façon à former un canal unique, la communication entre eux étant établie au centre de la spirale. I1 résulte de cette disposition que par un choix judicieux des points d'introduction des flux des milieux, on peut obtenir des enrichissements ou des épuisements rationels, comme cela sera expliqué ultérieurement. Avantageusement, chaque cellule étant constituée d'au moins trois éléments dits respectivement élément supérieur, élément médian, élément inférieur, les canaux et leurs parois de séparation, sont en regard les uns des autres, de part et d'autre des membranes. En outre les éléments, supérieur et inférieur, comportent sur une seule de leurs faces, des canaux définissant pour chacun des éléments respectifs, un premier et un troisième compartiment, tandis que ltélément médian comporte des canaux sur chacune de ses faces, les canaux d'une face correspondante avec ceux de l'autre face par des lumières et définissant un deuxième compartiment. Avantageusement encore l'élément médian est lui-même formé de deux sous-éléments en forme de disques accolés suivant une de leurs faces, dite face de raccordement, la face de raccordement de chacun d'eux comportant elle aussi des canaux définissant au moins un quatrième compartiment destiné par exemple à l'introduction d'un gaz ou d'un mélange gazeux. Suivant une autre caractéristique de l'invention certains éléments, aussi bien supérieurs que médians ou inférieurs, comportent au voisinage de la périphérie de leurs faces, dans une zone dite plage de contact, des conduits traversants perpendiculaires aux faces, certains de ces conduits pouvant communiquer, par un rainure pratiquée dans une face de l'élément, avec un des dits canaux, d'autres conduits n'étant en communication avec aucun canal. La présente invention a aussi pour objet un procédé de culture de cellule particulièrement destiné à la mise en oeuvre d'une cellule de cytogénérateur telle que susdéfinie, le procédé étant caractérisé principalement en ce que, chacun des premier, deuxième et troisième compartiments étant pourvus d'une entrée et d'une sortie, on établit un courant de liquide depuis l'entrée vers la sortie, dans chacun des compartiments. De préférence, le premier compartiment étant destiné à contenir un liquide dit d'épuration, le deuxième compartiment étant destiné à contenir une biomasse et son milieu de culture, le troisième compartiment étant destiné à contenir un liquide dit nutritif, la pression (osmotique et/ou barométrique) régnant dans le premier compartiment est inférieure à la pression régnant dans le deuxième compartiment, elle-même inférieure à celle régnant dans le troisième. De préférence encore, le quatrième compartiment étant destiné à contenir un mélange gazeux, la pression régnant dans le quatrième compartiment a une valeur comprise entre celle de la pression régnant dans le premier compartiment et celle régnant dans le deuxième compartiment. La présente invention sera mieux comprise à la description qui va être faite d'une forme particulière de réalisation et/ou de mise en oeuvre, en relation avec les figures des planches annexées, dans lesquelles - la fig.l est une illustration partielle d'un disque, avec sa coupe diamétrale, formant un élément de cytogénérateur conforme à l'invention, - la fig.2 est une perspective écorchée, illustrant l'empilement d'éléments semblables ou analogues à celui de la fig.l, - la fig.3 est une illustration analogue à celle de la fig.2, après assemblage des éléments, - la fig.4 est une coupe diamétrale d'un module analogue à celui des figures précédentes, - la fig.5 est une coupe schématique d'un module des figures précédentes, - la fig.6 illustre schématiquement le procédé de mise en oeuvre des modules ou cytogénérateurs des figures précédentes, - la fig.7 illustre en perspective un empilement de modules formant un cytogénérateur plurimodulaire, et - la fig.8 illustre en coupe diamétrale schématique le fonctionnement en parallèle du cytogénérateur multimodulaire de la figure précédente. Sur la fig.l, un disque 1 constituant un élément de cellule, comporte sur l'une de ses faces et dans son epaisseur e visible sur la coupe, des canaux tels que 4 formant une double spirale ; des cloisons telles que 6 partagent le canal ou le sépare de sa spire voisine ; il est bien visible sur la figure que, les canaux se rejoignant au centre 8 du disque, ils forment un canal unique, le sens de circulation alternant d'une branche à l'autre. Toujours sur la fig.l, il apparaît que la spirale n'occupe qu'une partie centrale du disque et qu'il subsiste une partie périphérique, dite plage 32 dans laquelle ont été ménagés des trous traversants 32 ; ces trous, groupés par deux peuvent être reliés aux canaux par des rainures telles que 34. Sur la fig.2, a rapprocher de la coupe de la fig.l, sont représentés partiellement quatre disques respectivement élément supérieur 12, éléments médians 14' et 14", et élément inférieur 16. Les éléments supérieur et inférieur ont des canaux 10 analogues mais inversés de l'un à l'autre élément. L'élément médian 14 est lui-même constitué de deux sous-éléments 14' et 14" comportant des canaux sur chacune de leurs faces : les canaux 18 d'une première face sont disposés defaçon analogue à ceux des premiers et troisième éléments, et séparés par des parois 19, tandis que la seconde face comporte un canal 21 situé en vis-à-vis de la paroi de séparation 19 des canaux de l'autre face.Des orifices traversants 23 mettent en communication un canal 18 d'une première face de l'un des sous-éléments avec le canal correspondant de la face analogue de l'autre sous-élément. Les faces en regard, des sous-éléments, dites faces de raccordement, sont parfaitement planes de manière à permettre un accolement étanche aux gaz, des deux sous-éléments. Des membranes perméables 11, 13, dites aussi semi-perméables ou encore ultrafiltres, sont destinées à être disposées entre l'élément médian 14 et les deux autres éléments 12 et 16 ; des orifices correspondant aux conduits 32 de la fig.1 peuvent êtres prédécoupés dans les membranes. Les fig.3 et 4 illustrent l'ensemble empilé des éléments et sous-éléments de la fig.2 il y apparaît que les canaux 10 des éléments supérieur et inférieur définissent avec les membranes 11 et 13, respectivement un premier 22 et un troisième 26 compartiment, il y apparaît encore que les orifices 21 des sous-éléments sont en prolongement les uns des autres de manière à mettre en communication les canaux 18 des premières faces des souséléments médians, de telle manière que ces canaux ne forment qu'un seul et même compartiment 24, dit deuxième, dont l'espace est réparti de part et d'autre de la face de raccor dement, lui aussi limité par les membranes 11 et 13 ; il y apparaît enfin que les canaux 21 définissent un quatrième compartiment 28 entièrement délimité par la matière constitutive de l'élément médian. Sur la fig.5, on a schématisé un module constitué d'un élément supérieur 12, d'un médian 14, et d'un élément inférieur 16 et de membranes 11 et 13 définissant le premier compartiment 22, le deuxième compartiment 24, le troisième 26 et enfin le quatrième compartiment 28. Le premier compartiment reçoit par des conduites d'entrée 32 et de sortie 33, la circulation d'un liquide d'épuration ; le deuxième compartiment compris entre les membranes 11 et 13 contient un milieu de culture dans lequel baigne la biomasse, une circulation du milieu de culture pouvant être établi à travers les conduites d'entrée 34 et de sortie 35 ; le troisième compartiment reçoit par des conduites d'entrée 36 et de sortie 37 la circulation d'un liquide nutritif ; enfin le quatrième compartiment reçoit par des conduites d'entrée 38 et de sortie 39 un gaz , oxygène par exemple, ou un mélange gazeux. Sur la fig.6, le procédé de l'invention se caractérise par le fait que la pression P1 régnant dans le premier compartiment est inférieur à la pression P2 régnant dans le deuxième qui contient la biomasse 40, elle même inférieure à la pression P3 régnant dans le troisième, et que la pression gazeuse P4 régant dans le quatrième compartiment est elle-même comprise entre les pressions P2 et P3. Il résulte de cette caractéristique de procédé qu'un transit permanent s'effectue à travers les membranes dans le sens du troisième compartiment vers le deuxième, du deuxième vers le premier et du quatrième vers le deuxième. Un choix judicieux des pressions et de la porosité de la première membrane 11 permet de sélectionner les métabolites présents dans les premier et deuxième compartiment en vue de les retirer, séparés du cytogénérateur. Sur les fig.7 et 8 plusieurs modules 1, 1' et 1", quatre par exemple, sont superposés de telle façon que les circulations dans les divers compartiments s'effectuent en parallèle (fig.8) ; cette superposition permet aux orifices 32 de la fig.l de communiquer respectivement entre eux. Dans ce groupement de modules, les modules supérieur 1' et inférieur 1" pourront avoir des conformations particulières, le module supérieur comportant des ajutages, et le module inférieur des orifices 32 non-tranversant ; d'une autre manière, non représentée les - quatre modules pourraient être indentiques, et l'empilement comporter une plaque supérieure de branchement avec ajutages, et une plaque inférieure formant bouchon. L'étanchéité entre les différents modules résulte, comme pour les sous-éléments médians, de la planéité des faces en contact, accessoirement légèrement enduite de graisse silicone. Un trait caractéristique de l'invention réside dans la nature poreuse d'un matériau constitutif d'au moins l'élément médian à travers les parois duquel doit diffuser le mélange gaz ou le gaz nécessaire à la culture ; des matériaux céramiques satisfairont cette condition de porosité mais aussi d'autre matériaux tels que matériau frittés, matériaux du genre feutrés (agglomérats de fibres, etc...). Les élements supérieurs et inférieurs pourront aussi être en céramique mais, aussi bien en toute autre matière non poreuse (matière plastique, verre, métal, etc...). Bien que l'on ait aécrit et représenté une forme particulière de réalisation de l'invention, il doit être compris que la portée de cette dernière n'est pas limitée à cette forme mais qu'elle s'étend à tout dispositif ou procédé comportant les caractéristiques générales enoncées plus haut. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de culture, dit cytogénérateur, du genre dit modulaire constitué d'une pluralité de cellules élémentaires ou modules divisées en compartiments, par exemple trois, par une ou plusieurs parois ou membranes destinées à permettre à travers elles l'échange de produits nutritifs ou de déchets, caractérisé :: en ce qu'au moins l'un des éléments de cellule est constituté d'un disque (2) de matériau poreux d'une certaine épaisseur (e), dans au moins l'une des faces circulaires duquel ont été ménagés des canaux (4) concentriques ou pseudo-concentriques, séparés par des cloisons (6) mais communiquant entre eux pour former un compartiment unique, d'où il résulte en premier li et en raison d'une porosité choisie du matériau cérat que, la possibilité de faire passer un gaz à travers la paroi d'un disque, en second lieu une grande stabilité dimensionnelle des éléments, en troisième lieu la facilité d'une fabrication précise 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dits canaux forment, par paire, une double spirale, les deux canaux de chaque paire étant en communication de façon à former un canal unique, la communication entre eux étant établie au centre (8) de la spirale ; 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé : en ce que, chaque cellule étant constituée d'au moins trois éléments dit respectivement élément supérieur (12), élément médian (14), élément inférieur (16), les canaux et leurs parois de séparation, sont en regard les uns des autres, de part et d'autre des membranes (11,13) ; 4.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que chacun des éléments supérieur (12) et inférieur -(16) comportent sur une seule de leurs faces, des canaux (10) définissant pour chacun des éléments respectifs, un premier (22) et un troisième (26) compartiment ; 5.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément médian com porte des canaux (18,21) sur chacune ae ses faces, des canaux (18) d'une face correspondant avec ceux de l'autre face par des orifices et définissant un seul et unique deuxième compartiment (24) 6.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément médian (14) est lui-même formé de deux sous-éléments (14',14") en forme de disques accolés suivant une de leurs faces, dite face de raccordement, la face de raccordement de chacun d'eux comportant elle aussi des canaux (21) défi nissant au moins un quatrième compartiment (28) 7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que certains éléments, aussi bien supérieurs que médians ou inférieurs, com portent au voisinage de la périphérie de leurs faces, dans une zone dite plage (30) de contact, des conduits traversants (32) perpendiculaires aux faces, certains de ces conduits pouvant communiquer, par une rainure (34) pratiquée dans une face de l'élément, avec un des dits canaux, d'autres conduits n'étant en communication avec aucun canal 8.- Procédé de mise en oeuvre d'au moins une cellule conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que chacun des -premiers (22), deuxièmes (24) et troisièmes (26) compartiments étant pourvus d'une entrée et d'une sortie, on établit un courant de liquide depuis l'entrée vers la sortie, dans chacun des compartiments, en ce que, le premier compartiment (22) étant destiné à contenir un liquide dit d'épuration, le deuxième compartiment étant destiné à contenir une biomasse (40) et son milieu de culture, le troisième compartiment (26) étant destiné à contenir un liquide dit nutritif, la pression (osmotique et/ou barométrique (P1)) régnant dans le premier compartiment est inférieure à la pression (P2 > régant dans le second compartiment, elle-même inférieure à celle (P3) régnant dans le troisième, et en ce que, le quatrième comparti- ment (28) étant destiné à contenir un mélange gazeux, la pression (P4) régant dans le quatrième compartiment est comprise entre les pressions régnants dans les deuxièmes et troisièmes compartiments.