Brevet FR3151335A1 — publié le 20250124

L’invention concerne un bioréacteur, en particulier un photobioréacteur, comprenant : - une enceinte (E) qui comprend des extrémités inférieure (I) et supérieure (S) ayant respectivement une sortie (S1) et une entrée (D1) pour liquides ; - un circuit de recirculation (RC) connecté à ladite entrée (D1) et à ladite sortie (S1) ; - une pompe de recirculation (P1) connectée à l’enceinte (E) et au circuit de recirculation (RC), caractérisé en ce que la pompe de recirculation (P1) est configurée pour réaliser un flux de liquide de ladite sortie (S1) vers ladite entrée (D1) essentiellement vertical vers le bas ; et en ce que l’enceinte (E) comprend en outre au moins un injecteur de gaz (G) agencé dans l’extrémité inférieure (I). L’invention concerne également un procédé sur la base d’un tel bioréacteur. Figure de l’abrégé : Fig. 1 Bioréacteur à circulation inversée d’air et de milieu, et procédé sur la base d’un tel bioréacteur L’invention se rapporte au domaine des agencements de bioréacteurs, en particulier de photobioréacteurs. Les bioréacteurs sont utilisés pour réaliser des cultures de micro-organismes dans un milieu. Certaines souches de micro-organismes d’intérêt, ont tendance à sédimenter dans le réacteur, ce qui fait que les cellules sont agglutinées les unes sur les autres. Cela implique plusieurs inconvénients pour le développement de la culture, alors que le volume du réacteur permet d’avoir un espacement entre les cellules si elles sont mieux dispersées. Cela est d’autant plus problématique dans le cas de photobioréacteurs où les souches ont besoin d’être exposées à la lumière, et donc réparties dans tout le volume du réacteur. Ainsi, l’art antérieur a proposé des solutions d’agitation du milieu, par agitation mécanique du contenant du milieu de culture, ou par agitation d’une pièce magnétique disposée dans le milieu de culture. Ces solutions sont complexes à mettre en œuvre dans un bioréacteur à gros volume de sorte que l’agitation n’est pas efficace dans tout le volume. D’autres solutions utilisent des canalisations de cellules dans lesquelles les cellules se déplacent avec le milieu sur plusieurs centaines de mètres. Malheureusement, cette solution implique un agencement complexe et encombrant. Un premier objectif de la présente invention est de proposer une solution de bioréacteur avec un système d’agitation simplifié et efficace dans tout le volume du bioréacteur. Un deuxième objectif est de proposer une solution moins encombrante que dans l’art antérieur. Pour atteindre ces objectifs, l’invention propose un bioréacteur comprenant : - une enceinte qui comprend une extrémité inférieure ayant au moins une sortie pour liquides ; et une extrémité supérieure ayant au moins une entrée pour liquides ; - un circuit de recirculation connecté à ladite entrée et à ladite sortie ; - une pompe de recirculation connectée à l’enceinte et au circuit de recirculation, caractérisé en ce que la pompe de recirculation est configurée pour réaliser un flux de liquide de ladite sortie vers ladite entrée de sorte que le flux de liquide dans l’enceinte a une direction essentiellement verticale vers le bas ; et en ce que l’enceinte comprend en outre au moins un injecteur de gaz agencé dans l’extrémité inférieure. Avantageusement, la combinaison de l’aération vers le haut, et des mouvements de milieu vers le bas permettent d’homogénéiser la production de cellules, et d’augmenter le rendement en éclairant davantage les cellules. Par ailleurs, une agitation par l’aération et le tirage de l’eau est sensiblement simplifiée et efficace. La mise en place de ces éléments à plusieurs endroits permet d’avoir une agitation dans tout le volume du bioréacteur. En outre, le bioréacteur de l’invention est peu encombrant en comparaison aux systèmes de canalisations l'art antérieur qui parcourent plusieurs centaines de mètres. Selon une variante, l’enceinte comprend plusieurs injecteurs de gaz agencés à plusieurs points de l’extrémité inférieure. Cela permet d’avoir plusieurs zones verticales d’homogénéisation vers le haut. Les injecteurs de gaz transmettent des bulles, de préférence des microbulles, dans le milieu. Par « gaz » peut être entendu l’ensemble des gaz de l’air. Selon une variante, la pompe de recirculation est raccordée à la sortie de l’enceinte. Cela permet d’avoir un tirage efficace pour une enceinte à très gros volume comparé au circuit de recirculation, en évitant les pertes de charge. Selon une variante, ladite sortie a une position centrale par rapport aux injecteurs de gaz et/ou une position centrale dans l’extrémité inférieure. Cela permet d’avoir une zone d’homogénéisation verticale vers le bas aux centre des injecteurs de gaz, au centre de l’enceinte. Selon une variante, ledit injecteur de gaz a une position périphérique par rapport à ladite sortie et/ou une position périphérique dans l’extrémité inférieure. Cela permet d’avoir une zone d’homogénéisation verticale vers le haut autour de ladite sortie, autour de l’enceinte. Selon une variante, l’enceinte a une forme cylindrique et les injecteurs de gaz sont angulairement espacés dans l’enceinte autour de l’axe central de la forme cylindrique. Cela permet d’avoir une forme cylindrique facile à fabriquer. Par ailleurs, une forme cylindrique facilite l’observation de la culture cellulaire dans plusieurs directions dans l’espace, en comparaison à une forme parallélépipédique ou cubique par exemple. Selon une variante, ledit injecteur de gaz est un diffuseur de gaz. Cela permet de générer de très fines bulles pour limiter les turbulences des flux, améliorer la visibilité des cellules et leur éclairage. Selon une variante, le circuit de recirculation comprend une fenêtre contrôle transparente. Cela permet d’avoir un contrôle visuel spécifique ou d’effectuer des mesures par dispositifs optiques. Selon une variante, le bioréacteur forme un photobioréacteur et l’enceinte est majoritairement transparente. Cela permet de cultiver des micro-organismes photosynthétiques tels que des algues vertes, bleues ou rouges. Un autre objet de l’invention concerne un procédé de fabrication d’un bioréacteur selon l’invention, comprenant les étapes suivantes : - mettre en place l’enceinte ; - connecter la pompe de recirculation à la sortie de l’enceinte et au circuit de recirculation ; - connecter le circuit de recirculation à l’entrée de l’enceinte. L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des modes de réalisation préférés de l’invention, dans lesquelles : - illustre schématiquement une vue dans l’espace d’une structure de photobioréacteur selon un mode de réalisation préféré de l’invention ; - illustre schématiquement une vue de face d’un meuble selon l’invention comprenant la structure de photobioréacteur de la ; - illustre schématiquement une vue de face d’une pièce d’extrémité inférieure de la structure de photobioréacteur de la ; - illustre schématiquement une vue de dessus de la pièce d’extrémité inférieure de la . L’invention concerne premièrement la structure générale du photobioréacteur. La structure comprend une enceinte E cylindrique, dont la base inférieure et/ou la base supérieure sont ouvertes. L’enceinte E est utilisée en position verticale de sorte que l’axe principal du cylindre soit vertical. La structure comprend en outre une pièce d’extrémité inférieure I configurée pour être raccordée à ladite base inférieure au moyen d’une pièce de raccord inférieur RI. La structure comprend en outre de même une pièce d’extrémité supérieure S configurée pour être raccordée à ladite base supérieure au moyen d’une pièce de raccord supérieur RS. Le raccordement se fait avec une pièce d'extrémité I/S pouvant être légèrement plus grande ou plus petite, ou de la même taille (ici diamètre) que la partie correspondante de l’enceinte E. La pièce de raccord RI, RS est configurée selon le cas pour un raccordement étanche. Selon l’invention, la pièce d’extrémité inférieure I comprend une portion proximale PP et une portion distale PD mieux visibles en . La portion proximale PP est de forme cylindrique. Elle comprend une partie de raccord coopérant avec ladite pièce de raccord RI/RS et l’enceinte transparente E pour fermer l’ouverture correspondante de l’enceinte E de manière étanche. La portion distale PD est de forme conique. La base de ce cône est en continuité avec la portion proximale PP cylindrique. Ce cône présente une extrémité distale AP, en forme d’apex (mieux visible en ). La pièce d’extrémité inférieure I peut être de type métallique, par exemple en acier inoxydable. On peut bien entendu envisager d’autres matériaux dans le cadre de l’invention, tels que notamment des matériaux plastiques ou des structures réalisées en impression 3D. De même, la pièce d’extrémité supérieure S comprend une portion proximale PP et une portion distale PD, de préférence avec les mêmes caractéristiques que celles détaillées ci-dessus. En outre, selon l’invention, ladite extrémité distale AP comprend au moins un orifice d’embouchure E1, S1 au niveau de l’apex. L’orifice d’embouchure peut être équipé d’une structure d’embouchure. Il s’agit en particulier des extrémités distales AP supérieure et inférieure. Par ailleurs, la portion proximale PP comprend au moins un orifice de dérivation D1, D2, D3, D4 en position latérale, voire plusieurs orifices de dérivation angulairement espacés. Les orifices de dérivation D1, D2, D3, D4 sont équipés de structures de dérivation, mieux visibles en figures 3 et 4. Des pompes P1, P2 peuvent être en outre prévues. En particulier, la pièce d’extrémité inférieure I comprend un premier jeu de plusieurs orifices de dérivation angulairement espacés, configurés pour recevoir des injecteurs de gaz G insérés dans la pièce d’extrémité. Dans la variante illustrée, il y a 4 injecteurs de gaz agencés autour de la structure de photobioréacteur. Par ailleurs, la pièce d’extrémité inférieure I comprend au moins un orifice de dérivation configuré pour recevoir une sonde, par exemple une sonde de pH, insérée dans la pièce d’extrémité I. De plus, on peut prévoir une dérivation D2, raccordée à un injecteur de liquide, par un circuit stérile permettant d’injecter du liquide dans le milieu sans ouvrir le réacteur en limitant le risque de contaminations. L’injecteur de liquide peut être raccordé par l’intermédiaire d’une électrovanne EV. L’invention porte également sur une pièce d’extrémité inférieure I, et une pièce d’extrémité supérieure S telles que décrites précédemment, ainsi qu’un kit de montage correspondant. En utilisation, la structure de photobioréacteur est disposée dans un meuble M spécifique, par exemple une armoire, équipé de moyens lumineux L, tels que des rampes lumineuses comportant des LEDs. Le meuble M peut comprendre des panneaux et de préférence une porte. Ainsi, l’éclairage en continu du photobioréacteur peut se faire dans le meuble M sans gêner à l’extérieur du meuble M. Le meuble M comprend un support d’enceinte SE permettant de maintenir facilement l’enceinte E dans le meuble M ; et un support d’extrémité SI permettant de maintenir la pièce d’extrémité, ici inférieure I, dans le meuble M. A cet effet, le support d’enceinte SE comprend une première structure de réception circulaire, recevant l’enceinte E. La première structure de réception peut être démontable, en deux demi-cercles par exemple, avec une fixation des pièces en demi-cercle par une charnière. Ainsi, cette première structure de réception est ouverte pour disposer l’enceinte E en son sein avant de la refermer. Par ailleurs, le support d’extrémité SI comprend une deuxième structure de réception circulaire, recevant la pièce d’extrémité inférieure I. La pièce d’extrémité inférieure I peut y être insérée par la pointe, et y être maintenue par le poids de la structure de photobioréacteur et la résistance de la deuxième structure de réception. Ce type de meuble M sert de support à des dispositifs de commande, des dispositifs de contrôle ou autres, pour participer au fonctionnement du photobioréacteur. On peut aussi envisager un meuble sous forme de supports en brins sans panneaux ni porte. L’assemblage de la structure de photobioréacteur se fait en deux étapes principales. Dans une première étape, il faut raccorder la pièce d’extrémité inférieure I à ladite base inférieure de l’enceinte E, au moyen de ladite pièce de raccord inférieure RI. Dans une deuxième étape, il faut raccorder la pièce d’extrémité supérieure S à la base supérieure de l’enceinte E, au moyen de ladite pièce de raccord supérieure RS. Une fois la structure de photobioréacteur assemblée, il n’y a plus qu’à l’insérer dans le meuble M. A cet effet, le support d’enceinte SE peut être ouvert pour y disposer l’enceinte E. Ensuite, l’apex de la pièce d’extrémité inférieure I peut être disposé dans le support d’extrémité SI. Concernant maintenant l’agencement, il peut être adapté pour un photobioréacteur décrit précédemment, ou pour un bioréacteur au sens large. Ainsi, le bioréacteur comprend l’enceinte E, un circuit de recirculation RC, et une pompe de recirculation P1. L’enceinte E comprend l’extrémité inférieure I ayant au moins une sortie S1 pour liquides (à savoir ici l’embouchure S1) ; et une extrémité supérieure S ayant au moins une entrée D1 pour liquides (à savoir ici à l’orifice de dérivation D1). En particulier, ladite sortie S1 a une position centrale au centre de l’apex de l’extrémité inférieure I, par rapport aux injecteurs de gaz G qui ont une position périphérique. Les injecteurs de gaz G sont de préférence des diffuseurs de gaz, diffusant par exemple des bulles de moins de 500µm. On pourra parler de microbullage dans le cadre de cette partie de l’invention. Dans la variante illustrée, l’orifice d’embouchure E1 sert à évacuer le gaz injecté dans l’enceinte E, ainsi que l’écume créé par le microbullage. L’orifice d’embouchure E1 permet aussi de récolter par débordement grâce à l’injection de milieu via l’orifice de dérivation D2 (récolte en continu). L’orifice d’embouchure E1 déborde dans un bidon stérilisable, le gaz s’évacue de ce bidon par un filtre. L’enceinte E ayant ici une forme cylindrique, les injecteurs de gaz G sont angulairement espacés dans l’enceinte E autour de l’axe central de la forme cylindrique. Il y a au moins quatre injecteurs de gaz G. Cela permet d’avoir une diffusion sur l’ensemble d’un bioréacteur de par exemple 200 mm de diamètre. Chaque diffuseur diffuse sur un quart de la surface de révolution de l’enceinte. On peut envisager un dispositif d’injecteur individuel pouvant être inséré dans le contenant de l’enceinte. L’injecteur et/ou l’arrivée de gaz de l’injecteur peut passer ou pas par une paroi de l’enceinte. Un tel dispositif d’injecteur peut avoir une forme d’anneau ou d’arc de cercle. Le circuit de recirculation RC est connecté à ladite entrée D1 et à ladite sortie S1. Il permet de faire une recirculation de liquide dans une canalisation de petit diamètre par rapport à l’enceinte E. Cette canalisation mesure par exemple 20 mm de diamètre. La pompe de recirculation P1 est raccordée à la sortie S1 et à la partie basse du circuit de recirculation RC. La partie haute du circuit de recirculation RC est raccordée à l’entrée D1 en haut de l’enceinte E. Selon l’invention, la pompe de recirculation P1 est configurée pour réaliser un flux de liquide FL de ladite sortie S1 vers ladite entrée D1 de sorte que le flux de liquide FL dans l’enceinte E a une direction essentiellement verticale du haut vers le bas. En outre, les injecteurs de gaz G sont agencés à plusieurs points de l’extrémité inférieure I. Ainsi, ils permettent de réaliser un flux de gaz FG vertical du bas vers le haut. La combinaison du flux de liquide FL vers le bas, et du flux de gaz FG vers le haut permet de réaliser une circulation inversée de gaz et du milieu, homogénéisant la culture et la répartition des cellules dans l’enceinte E. Dans la variante préférée, le circuit de recirculation RC comprend une fenêtre contrôle F transparente. A cet endroit, la paroi est de préférence entièrement transparente sur quelques centimètres. Cette fenêtre est de préférence disposée à hauteur d’homme pour pouvoir être contrôlée sans se baisser. Elle est par exemple dans une plage comprise entre 1,60m et 1,75m du sol. L’invention porte également sur le procédé de fabrication d’un bioréacteur tel que décrit précédemment. Dans ce procédé, la pompe de recirculation P1 est connectée à la sortie S1 de l’enceinte E, ainsi qu’au circuit de recirculation RC. Ensuite, le circuit de recirculation RC est connecté à l’entrée D1 de l’enceinte E. La pompe P2 est une pompe servant à vidanger complètement ou partiellement le photobioréacteur. Concernant spécifiquement l’agencement des injecteurs de gaz G (diffuseurs), il peut être adapté pour un photobioréacteur décrit précédemment, ou pour un bioréacteur au sens large. Ainsi, le bioréacteur comprend l’enceinte E qui comprend une paroi d’enceinte, et une extrémité inférieure I (ici sous forme de pièce d’extrémité séparée). L’extrémité inférieure I comprend une paroi latérale (ici la portion proximale PP) et un fond d’une forme donnée (ici la portion distale PD de forme cônique). Le bioréacteur comprend en outre les injecteurs de gaz G agencés dans la paroi latérale PP de l’extrémité inférieure I. Selon l’invention, les injecteurs de gaz y sont disposés de sorte que leurs bulles de gaz montent dans le milieu en étant en contact avec la paroi d’enceinte de l’enceinte E. Afin de couvrir l’ensemble de la paroi d’enceinte, les injecteurs de gaz G sont disposés à plusieurs points de la paroi latérale PP, ici à des points angulairement espacés autour de l’axe central de la paroi d’enceinte cylindrique. Dans la variante illustrée, la paroi d’enceinte est agencée verticalement. Les bulles de gaz y sont donc de préférence projetées. L’invention porte également sur le procédé de fabrication d’un bioréacteur tel que décrit précédemment. Dans ce procédé, les injecteurs de gaz G sont mis en place dans la paroi latérale PP de l’extrémité inférieure I, de sorte que leurs bulles de gaz montent dans le milieu en étant en contact avec la paroi d’enceinte de l’enceinte E. Bioréacteur comprenant : - une enceinte (E) qui comprend une extrémité inférieure (I) ayant au moins une sortie (S1) pour liquides ; et une extrémité supérieure (S) ayant au moins une entrée (D1) pour liquides ; - un circuit de recirculation (RC) connecté à ladite entrée (D1) et à ladite sortie (S1) ; - une pompe de recirculation (P1) connectée à l’enceinte (E) et au circuit de recirculation (RC), caractérisé en ce que la pompe de recirculation (P1) est configurée pour réaliser un flux de liquide de ladite sortie (S1) vers ladite entrée (D1) de sorte que le flux de liquide dans l’enceinte (E) a une direction essentiellement verticale vers le bas ; et en ce que l’enceinte (E) comprend en outre au moins un injecteur de gaz (G) agencé dans l’extrémité inférieure (I). Bioréacteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’enceinte (E) comprend plusieurs injecteurs de gaz (G) agencés à plusieurs points de l’extrémité inférieure (I). Bioréacteur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pompe de recirculation (P1) est raccordée à la sortie (S1) de l’enceinte (E). Bioréacteur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite sortie (S1) a une position centrale par rapport aux injecteurs de gaz (G) et/ou une position centrale dans l’extrémité inférieure (I). Bioréacteur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit injecteur de gaz (G) a une position périphérique par rapport à ladite sortie (S1) et/ou une position périphérique dans l’extrémité inférieure (I). Bioréacteur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’enceinte (E) a une forme cylindrique et les injecteurs de gaz (G) sont angulairement espacés dans l’enceinte (E) autour de l’axe central de la forme cylindrique. Bioréacteur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit injecteur de gaz (G) est un diffuseur de gaz. Bioréacteur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de recirculation comprend une fenêtre contrôle (F) transparente. Bioréacteur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il forme un photobioréacteur et l’enceinte (E) est majoritairement transparente. Procédé de fabrication d’un bioréacteur selon l’une des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes : - mettre en place l’enceinte (E) ; - connecter la pompe de recirculation (P1) à la sortie (S1) de l’enceinte (E) et au circuit de recirculation (RC) ; - connecter le circuit de recirculation (RC) à l’entrée (D1) de l’enceinte (E).