Brevet FR2839978A1 — publié le 20031128

de 15/85 a 35/65. i J "Bioreacteur formant une cuve rigide." L'invention propose un bioreacteur pour la culture de cellules animales, vegetales, microbiennes ou d'algues, du type comportant un corps qui delimite un volume interieur apte a recevoir un liquide de culture et un volume gazeux au-dessus du liquide de culture, et qui comporte des moyens pour ['introduction et/ou ['extraction d'elements respectivement dans et/ou hors du volume interieur du corps, et du type qui comporte des moyens d'entramement du corps en mouvement oscillant de sorte a o obtenir une agitation du liquide de culture. Les avancees technologiques dans le domaine des biotechnologies entrament une augmentation des besoins en cellules animales, vegetales, microbiennes ou d'alques de sorte qu'il est necessaire d'accrotre les capacites de production de ces s cellules. La production de cellules s'effectue en les cultivant dans un liquide de culture qui comporte des composants necessaires a leur croissance et qui peut etre mis au contact d'un gaz contenant aussi des composants necessaire a la croissance des cellules. En o particulier, les cellules cites "aerobics" vent mises au contact avec l'oxygene de ['air, qui est un composant necessaire a leur developpement, par des moyens d'injection de l'air dans le liquide de culture. Le liquide de culture est en outre agite par des moyens d'agitation afin d'optimiser le contact entre les cellules et les composants necessaires a leur croissance contenus dans le liquide et/ou dans le gaz. Pour la culture des cellules dans de telles conditions, il a ete propose d'utiliser des cuves en acier inoxydable conforme aux so exigences alimentaires, de designation Z2 CND17. 12 (norme NF A02-004) ou 316L (norme AISI), et dans lesquelles le liquide de culture est agite par un agitateur interne, par exemple du type a pales. - La culture de certaines categories de cellules cites "phototrophes" necessite un eclairement important du liquide de culture, cependant, les cuves realisees en acier inoxydable ne permettent d'assurer qutun eclairement du liquide de culture s relativement faible voire nul. De plus, I'utilisation d'un agitateur interne provoque un "cisaillement" du liquide de culture qui endommage les cellules et ralentit le developpement de celles-ci. II a aussi ete propose de cultiver les cellules dans un o bioreacteur compose de plusieurs flacons, ou bouteilles, d'axes horizontaux et agences en un carrousel qui vent mobiles en rotation continue autour d'un axe horizontal, comme decrit et represente dans le document US-A-6.066. 497. Chaque bouteille comporte des moyens pour inoculer ou pour prelever certains s produits, respectivement dans ou depuis leur volume interieur. Les dimensions des bouteilles vent reduites pour qu'une personne puisse les transporter sans efforts. Ainsi, les bouteilles ont une capacite maximale relativement restreinte. De plus, les bouteilles ne peuvent etre utilisees qu'a partir d'une quantite o minimale de liquide, de sorte qu'en cours de culture, il est relativement difficile de modifier la quantite de liquide de culture. Cependant, lorsque l'on desire effectuer une inoculation d'un produit dans le liquide de culture, il faut effectuer une inoculation pour chaque bouteille, ce qui multiplie le risque de contamination du iiquide par le nombre de bouteilles. Enfin, comme decrit dans le document FR-A-2.519.020, il a ete propose de cultiver les cellules dans un bioreacteur qui consiste en un sac de plastique plus ou moins translucide monte sur un plateau anime d'un mouvement de balancier. so Le sac est rempli en partie par le liquide de culture, et le volume du sac est complete par de l'air injecte, de sorte a permettre des echanges gazeux entre le gaz et les cellules. Cependant, I'air qui est introduit dans le bioreacteur doit etre sterile, de sorte que le bioreacteur necessite des moyens complexes de sterilisation de l'air qui vent relativement couteux. De plus, la pression exercee par le liquide de culture sur les parois du sac a naturellement tendance a lui faire prendre une s forme sensiblement spherique qui, de maniere connue, est la forme geometrique permettant d'avoir une surface exterieure minimale pour un volume interieur maximal, de sorte que cela reduit la surface libre du liquide de culture qui est en contact avec ['air. o L'invention vise a proposer un bioreacteur permettant d'avoir une plus grande la surface libre de contact du liquide de culture avec l'air present dans le bioreacteur pour un meme volume de liquide de culture. Dans ce but, I'invention propose un bioreacteur du type decrit precedemment, caracterise en ce que le corps est une cuve rigide. Selon d'autres caracteristiques de ['invention: - le corps est realise en un materiau permeable a la lumiere o - le corps comporte des moyens pour augmenter la surface du liquide de culture qui est en contact avec le volume gazeux present dans la partie superieure du corps; - le bioreacteur comporte au moins un recipient ouvert vers le haut, qui est agence a l'interieur du corps, qui est entrane s en mouvement avec le corps et qui, pour au moins une orientation du corps, est apte a isoler une certaine quantite de liquide de culture du reste du liquide de culture contenu dans le corps; - le bioreacteur comporte au moins un filtre a air permettant un echange gazeux entre le volume interieur du corps et 1'exterieur; - la face superieure du corps est ouverte, au moins en partie, et en ce que la face superieure du corps est fermee de maniere sterile par un element de fermeture; - I'element de fermeture est un film permeable a itair formant le filtre a air; - I'element de fermeture est un couvercle qui porte le filtre a air et les moyens pour ['introduction etlou ltextraction d'elements; - le corps est entrane en mouvement d'oscillation autour d'un axe sensiblement horizontal; - le corps est entrane en translation alternee parallelement a une direction sensiblement horizontale. o D'autres caracteristiques et avantages de ['invention apparatront a la lecture de la description detaillee qui suit pour la comprehension de laquelle on se reportera aux figures annexees parmi lesquelles: - la figure 1 est une representation schematique en perspective d'un bioreacteur conforme aux enseignements de ['invention; la figure 2 est une vue similaire a celle de la figure 1 dans laquelle le corps est entrane en mouvement alterne de translation horizontale; o - la figure 3 est une vue de detail a plus grande echelle des moyens de verrouillage de ['element de fermeture du corps; - la figure 4 est une vue de cote du corps represente a la figure 1, dans laquelle le corps est represente dans sa position de repos; - la figure 5 est une vue similaire a celle de la figure 4 dans laquelle le corps est represente lors d'une oscillation; - la figure 6 est une vue similaire a celle de la figure 4 representant une variante de realisation de ['invention dans laquelle le corps comporte des recipients qui s'etendent chacun o sensiblement sur toute la longueur du corps; - la figure 7 est une vue similaire a celle de la figure 5, conformement a la variante de realisation de ['invention. Pour la description de ['invention, on adoptera a titre non limitatif les orientations verticale, longitudinale et transversale selon le repere V, L, T indique aux figures. Dans la description qui va suivre, des elements identiques, s similaires ou analogues seront designee par les memes chiffres de reference. On a represente a la figure 1 un bioreacteur 10 pour la culture de cellules animales, vegetales, microbiennes ou d'algues qui comporte un corps 12 realise dans un materiau rigide apte a o laisser passer la lumiere et delimitant, a l'interieur de la cuve ainsi realisee, un volume 14 destine a recevoir un liquide de culture 16. Le liquide de culture 16 constitue le milieu dans lequel les cellules se developpent, et il contient des elements nutritifs s necessaires a la croissance des cellules. Un volume de gaz, par exemple d'air dans le cas ou les cellules cultivees vent des cellules "aerobics", est present au- dessus du liquide de culture 16. Un parametre qui influence la performance du bioreacteur o 10 est la concentration des cellules dans le liquide de culture 16 qui doit etre comprise dans un plage de valeurs donnee. Puisque le but du bioreacteur 10 est de produire des cellules, il est necessaire de renouveler et/ou de completer le liquide de culture de culture avec du liquide de culture neuf au fur et a mesure de s leur multiplication. A cet effet, le bioreacteur 10 comporte des moyens d'introduction 18 d'elements dans le volume interieur 14 du corps 12, notamment de liquide de culture neuf qui vent con,cus pour que ['introduction du liquide de culture neuf steffectue sans so introduction d'elements etrangers polluants dans le volume interieur 14 du corps. Le bioreacteur 10 comporte aussi des moyens 20 pour ['extraction d'elements du volume interieur 14 du corps 12, qui vent notamment utilises pour le prelevement d'une faible quantite de liquide de culture 16 en vue d'une analyse qui permettra de verifier le bon deroulement de la culture des cellules. Le corps 12 est anime d'un mouvement alternatif permettant d'avoir un melange continu ou periodique du liquide de culture 16. Ce melange du liquide de culture 16 permet dassurer les echanges gazeux entre les cellules et le gaz present au dessus du liquide, notamment avec ltoxygene contenu dans l'air lorsqutil s'agit de la culture de cellules cites "aerobics". De plus, le melange du liquide de culture 16 permet d'optimiser le contact o entre les cellules et les elements nutritifs contenus dans le liquide de culture 16. Un tel systeme d'agitation externe permet d'eviter tout cisaillement du liquide de culture. Lorsque le corps 12 est anime du mouvement alternatif la presence du volume gazeux au-dessus du liquide de culture 16 permet de former des turbulences, qui se traduisent par la formation de vagues (non representees). II resulte de ces turbulences que les cellules vent animees d'un mouvement dans le liquide de culture, dont au moins une composante est verticale, et done une modification continue des cellules qui vent a la surface 16s du liquide de culture 16, augmentant de ce fait les echanges gazeux. Comme represente a la figure 1, le bioreacteur comporte un ensemble de verins 22, agences ici au-dessous du corps 12, qui l'entranent en mouvement d'oscillation autour d'un axe transversal horizontal. Le mouvement d'oscillation du corps 12 peut etre obtenu par tout autre moyen connu de l'homme du metier, par exemple, comme decrit dans le document WO-A-00.66706, le bioreacteur comporte un plateau oscillant sur lequel est monte le corps. so Selon une variante representee a la figure 2, le corps ou cuve 12 est entrane en translation alternee parallelement a une direction longitudinale horizontale. Les verins vent alors orientes parallelement a la direction du mouvement, c'est a dire parallelement a la direction longitudinale, et ils agissent sur une paroi laterale verticale 23 du corps 12. Afin d'ameliorer le rendement du bioreacteur, la surface superieure libre 16s du liquide 16 qui est en contact avec les gaz contenus dans le volume interieur 14 du corps 12 doit etre la plus importante possible de maniere a augmenter le volume des echanges gazeux naturels entre le liquide de culture 16 et le volume gazeux, et aussi d'autoriser un mouvement du liquide permettant un brassage de celui-ci. o A cet effet, et conformement a ['invention, le corps 12 est une cuve rigide, ici de forme parallelepipedique rectangle, de sorte que lorsqu'il est dans une position de repos, il comporte un fond rig ide 24 horizontal d'orientation generale long itud inale et des parois laterales verticales 23 rigides. s Selon une variante de realisation non representee, le corps 12 est constitue d'une armature rigide. Le fond 24 et les parois laterales 23 vent realisees en un materieu souple et ils vent maintenus en forme par ['armature. Puisque le corps 12 est rigide, la surface 16s du liquide de o culture 16 est sensiblement constante pour une position donnee de la cuve, quel que soit le volume de liquide de culture 16 present a l'interieur du corps 12, contrairement aux bioreacteurs dont le corps est un sac souple dont les parois se deforment sous la pression exercee par le fluide de sorte que la surface du liquide s de culture qui est en contact avec les gaz est alors reduite. Pour favoriser la croissances des cellules cites "phototrophes", qui ont besoin d'une grande quantite de lumiere pour pouvoir se developper, le corps 12 est avantageusement realise en un materiau rigide qui est permeable a la lumiere. Ce o materiau est de preference un polymere transparent tel que le polycarbonate. Un avantage du polycarbonate est qu'il resiste a des temperatures pouvant atteindre environ 1 35 C, de sorte que le corps 12 peut etre sterilise dans un autoclave. La sterilisation du corps 12 est alors grandement simplifiee si on la compare a la sterilisation des bioreacteurs pour lesquels elle est realisee a la vapeur et sur place, en necessitant l'utilisation de moyens complexes et coOteux. La face superieure 26 du corps 12 est ouverte et elle permet le passage des moyens d'introduction 18 et des moyens d'extraction 20. Cependant, la culture des cellules necessite une absence rigoureuse de cellules etrangeres de sorte que la face superieure 26 doit etre obturee de maniere a garantir la sterilite to du bioreacteur 10. A cet effet, le bioreacteur 10 comporte un element de fermeture 28 qui recouvre la face superieure 26 de sorte que le volume interieur 14 du corps 12 soit protege de toute contamination exterieure. s Pour que la fermeture de la face superieure 26 soit etanche et done sterile, le bioreacteur 10 comporte un joint 30 qui est interpose entre ['element de fermeture 28 et le corps 12, et qui est comprime par des moyens de verrouillage 32. Ces moyens de verrouillage 32, qui consistent ici en un systeme vis-ecrou, o permettent de realiser le serrage ou compression du joint 30 et le verrouillage en position de ltelement de fermeture 28 et ils vent agences a l'exterieur du corps 12 afin que leur manipulation n'entrane pas de contamination. Du fait des echanges gazeux entre les cellules et ['air, il est necessaire de renouveler constamment ou regulierement l'air qui est present dans le volume interieur 14 du corps 12. Le renouvellement de l'air est obtenu grace a des filtres a air 34, par exemple par une membrane microporeuse qui ne laisse passer que des molecules et atomes contenus dans l'air et qui o empechent le passage de toute autre cellule qui pourrait contaminer le liquide de culture 13. De tels filtres permettent une aeration cite "passive" qui ne perturbe pas les equilibres gazeux a l'interieur du bioreacteur 10, contrairement aux systemes d'injection d'air utilises dans les bioreacteurs traditionnels. Selon un premier mode de realisation represente schematiquement aux figures, I'element de fermeture 28 est un couvercle rigide qui porte les moyens d'introduction 18 et les moyens d'extraction 20 et qui porte plusieurs filtres a air 34. Selon un deuxieme mode de realisation, non represente, I'element de fermeture 28 est un film ou une membrane qui recouvre entierement la face superieure 26 du corps et qui est o realise de sorte a avoir les memes caracteristiques que les filtres a air 34, c'est-a-dire de ne laisser passer que les molecules et atomes contenus dans ['air, tout en empechant le passage d'elements pouvant contaminer le liquide de culture 16. L'aire de la surface 16s du liquide de culture 16 est limitee s par les dimensions du corps, c'est a dire ici par sa longueur "L" et sa largeur"". Pour augmenter la surface de liquide de culture 16 qui est en contact avec ['air, et selon une variante de realisation de ['invention, le corps 12 comporte plusieurs recipients 36 qui consistent ici en des elements concaves ouverts vers le haut en forme generale de vasque. Chaque recipient comporte un plateau transversal horizontal 38 qui relic les deux parois longitudinales verticales 40 du corps 12 et dont les bords d'extremite transversale 42 vent inclines vers le haut. Les recipients 36 vent agences de sorte qu'ils stetendent au-dessus du liquide de culture 16 lorsque le corps 12 est dans sa positon de repos representee a la figure 4. Ils vent aussi agences pour qu'au moins une partie des recipients 36 soit o immergee dans le liquide de culture 16 dans au moins une position du corps 12 autre que sa position de repos, notamment lors, du mouvement d'oscillation du corps, comme on l'a represente a la figure 5. Ainsi, dans un premier mouvement du corps represente a la figure 5, des premiers recipients 36a vent immerges dans le liquide. Lorsque le corps 12 pivote autour de son axe d'oscillation pour revenir vers sa position de repos, ces premiers recipients 36a ont chacun preleve une certaine quantite de liquide de culture 44 et ils l'isolent alors du reste du liquide de culture 16. Les echanges gazeux s'effectuent ainsi au niveau de la surface 16s du liquide de culture, et au niveau de la surface 44s de la quantite de liquide prelevee 44 stockee provisoirement dans o cheque recipient 36. La surface d'echange totale est done augmentee. Lorsque le corps 12 bascule vers la position opposee a celle representee a la figure 5, c'est a dire qu'il est incline par rapport a sa position de repos, et que les premiers recipients 36a stetendent au-dessus du liquide de culture 16, une partie 46 de la quantite de liquide prelevee 44 se deverse des premiers recipients 36a vers le reste du liquide de culture 16. Cette quantite 46 qui se deverse permet d'augmenter la surface totale du liquide de culture du fait de sa propre surface. o Lorsque le corps 12 revient dans sa position pour laquelle les premiers recipients 36a vent immerges, la quantite de liquide de culture preleve 44 est reintroduite et se melange dans le reste du liquide de culture 16. Combinee au brassage du liquide de culture 16, I'action s des recipients 36 permet d'augmenter la surface d'echange gazeux du liquide de culture 16. Selon une variante non representee de ['invention, ie corps 12 comporte plusieurs series de recipients 36 qui vent agencees a differentes distances du fond 24 de sorte qu'au moins une partie o des recipients 36 soit efficace queue que soit la hauteur du liquide de culture 16 contenu dans le corps 16. Selon une variante de realisation de ['invention representee aux figures 6 et 7, le corps 12 comporte plusieurs recipients 36 repartis a differentes distances du fond 24, et cheque recipient 36 est agence a une distance du fond 24 differente des autres recipients 36. La longueur de chaque recipient 36 est sensiblement inferieure a la longueur "L" du corps 12 de sorte que la surface de s la quantite de liquide de culture prelevee 44 soit la plus grande possible, tout en laissant un espace "e" entre le recipient 36 et les parois transversales avant 48 et arriere 50. Avantageusement, pour la culture de cellules "phototrophes", les recipients 36 vent realises dans le meme materiau transparent que le corps, de sorte qu'ils ne reduisent pas l'eclairement de la totalite des cellules. Le bioreacteur 10 permet de rajouter du liquide de culture neuf dans le liquide de culture 16, sans qu'il soit necessaire d'interrompre la culture des cellules. Ainsi, le niveau global du liquide de culture 16 a l'interieur du corps 12 augmentera pour chaque ajout de liquide de culture neuf. II sera aussi compris que des inversions mecaniques simples peuvent constituer des variantes de realisation de ['invention. Par exemple, les moyens d'introduction 18 et les o moyens d'extraction 20 peuvent etre portes par une paroi verticale du corps 12. Un bioreacteur conforme a ['invention permet ainsi d'avoir, au debut de la culture, une faible quantite de cellules, par exemple 1 litre, qui est transferee dans un volume de milieu approprie, par exemple 10 litres. Ensuite, au fur et a mesure de la croissance des cellules, on ajoute du liquide de culture neuf, jusqu'a atteindre la capacite maximale du bioreacteur, par exemple 100 litres, sans avoir a transvaser le liquide de culture d'un bioreacteur vers un autre, en limitant de ce fait les risques de contaminations. REVENDICATIONS 1. Bioreacteur (10) pour la culture de cellules animales, vegetales, microbiennes ou d'algues, du type comportant un corps (12) qui delimite un volume interieur (14) apte a recevoir un liquide de culture (16) et un volume gazeux au-dessus du liquide de culture (16), et qui comporte des moyens pour ['introduction (18) et/ou ['extraction (20) d'elements respectivement dans et/ou hors du volume interieur (14) du corps (12), et du type qui comporte des moyens d'entranement (22) du corps (12) en o mouvement oscillant de sorte a obtenir une agitation du liquide de culture (16), caracterise en ce que le corps (12) est une cuve rigide. 2. Bioreacteur (10) selon la revendication precedente, caracterise en ce que le corps (12) est realise en un materiau permeable a la lumiere. 3. Bioreacteur (10) selon l'une des revendications precedentes, caracterise en ce que le corps (12) comporte des moyens (36) pour augmenter la surface du liquide de culture (16) qui est en contact avec le volume gazeux present dans la partie o superieure du corps (12). 4. Bioreacteur (10) selon la revendication precedente, caracterise en ce qu'il comporte au moins un recipient (36) ouvert vers le haut, qui est agence a l'interieur du corps (12), qui est entrane en mouvement avec le corps (12) et qui, pour au moins une orientation du corps (12), est apte a isoler une certaine quantite de liquide de culture (44) du reste du liquide de culture (16) contenu dans le corps (12). 5. Bioreacteur (10) selon l'une des revendications precedentes, caracterise en ce qu'il comporte au moins un filtre a o air (34) permettant un echange gazeux entre le volume interieur (14) du corps (12) et ltexterieur. 6. Bioreacteur (10) selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce que la face superieure (26) du corps (12) est ouverte, au moins en partie, et en ce que la face superieure (26) du corps (12) est fermee de maniere sterile par un element de fermeture (28). 7. Bioreacteur (10) selon la revendication precedente, en combinaison avec la revendication 5, caracterise en ce que s ['element de fermeture (28) est un film permeable a l'air formant le filtre a air. 8. Bioreacteur (10) selon la revendication 6, caracterise en ce que ['element de fermeture (28) est un couvercle qui porte le filtre a air (34) et les moyens pour ['introduction (18) et/ou o ltextraction (20) d'elements. 9. Bioreacteur (10) selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce que le corps (12) est entrane en mouvement d'oscillation autour d'un axe sensiblement horizontal. 10. Bioreacteur (10) selon l'une quelconque des revendications 1 a 8, caracterise en ce que le corps (12) est entrarne en translation alternee parallelement a une direction