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Simulation de bioréacteurs avec ADENON

Le logiciel ADENON est le résultat de 15 ans de développements débutés durant le doctorat de Jérôme Morchain. Ce logiciel place les notions de diversité, d’adaptation et d’équilibre au cœur de la modélisation dynamique des systèmes biologiques. Grâce à la participation de Maxime Pigou, le code de recherche a été confronté avec succès aux données industrielles et une interface graphique a été conçue. Le code de recherche est désormais accessible aussi bien aux ingénieurs, désireux d’effectuer une mise à l’échelle d’un bioprocédé, ainsi qu’aux chercheurs impliqués dans la conception expérimentale et l’analyse en profondeur de résultats. Il est utilisé comme outil pour plusieurs projets industriels menés par l’équipe dans lequel il a été développé.

 

 

Les systèmes biologiques présentent souvent des comportements complexes qui varient dans le temps et l’espace. La mise en œuvre à l’échelle industrielle de ces systèmes biologiques vient ajouter un niveau de complexité supplémentaire. L’impossibilité de mener les opérations industrielles avec une dépense énergétique équivalente à celle des études de laboratoire induit des limitations physiques en termes de mélange et de transfert. En pratique l’environnement des biocatalyseurs dans les bioprocédés industriels est donc plus hétérogène qu’au laboratoire. En plus de la diversité intrinsèque entre individus d’une même espèce, il faut ainsi également considérer la diversité de comportements induite par un environnement fluctuant auquel les individus cherchent en permanence à s’adapter. Ces différents niveaux de complexité font de la simulation multiéchelle et dynamique des bioprocédés un sujet d’actualité aussi bien pour la communauté scientifique que pour les partenaires industriels.  La simulation avancée des réacteurs chimiques fait appel à des logiciels de calcul numérique des écoulements, mais cette approche requiert un haut niveau d’expertise, elle relativement chronophage (~jours / mois) et repose sur des modélisations solidement établies. Dans la plupart des approches de modélisation des bioréacteurs existantes, la variabilité entre individus est mise de côté ce qui amoindrit leur applicabilité et leur capacité prédictive. Lorsque cette variabilité en prise en considération,  les individus sont supposés se mettre instantanément à l’équilibre avec leur environnement. Or c’est bien la capacité des individus à se maintenir hors équilibre qui fonde la différence entre chimie et biologie. Cette capacité à s’affranchir -au moins temporairement et au prix d’une dépense énergétique - de la stricte contingence de l’équilibre thermodynamique entre phase autorise le système biologique à réaliser ses propres transformations.  Il est donc par nature en constante adaptation, à la recherche d’un fonctionnement optimal dans un environnement toujours changeant. Au terme de nombreux travaux théorique et de modélisation, nous sommes donc arrivés à la conclusion que l’hydrodynamique, le transfert de masse entre une cellule et son environnement liquide, l’hétérogénéité des populations, le métabolisme et l’adaptation biologique, doivent d’être considérés avec un même intérêt et, dans la mesure du possible, simultanément. Nous avons développés le cadre et l’outil permettant d’intégrer toutes ces dimensions dans la modélisation des bioprocédés. De par son caractère générique, l’outil de simulation ADENON concerne des domaines d’applications variés.

 

Notre approche, basée sur les concepts de génie des procédés, de mécanique des fluides, et d’ingénierie des réacteurs biochimiques, permet des calculs rapides (~minutes) et prédictifs sur des dynamiques de bioréacteurs multiphasiques. ADENON a été utilisé pour simuler avec succès l’extrapolation de 20L à 20 m3 d’un procédé biologique1. Notre simulation explique comment et pourquoi les gradients de concentrations apparaissent à grande échelle. Elle prédit aussi les conséquences en termes métaboliques et en évidence l’existence des zones de production et de consommation des métabolites impliqués dans l’overflow. Il s’agit d’un exemple unique de couplage entre mélange, transfert et réactions biologiques pertinent lors d’un changement d’échelle. ADENON intègre également des résultats récents en biologie révélant l’existence d’une distribution du taux de croissance dans les cultures continues2. Il s’agit là aussi d’un résultat unique rendu possible par le fait que le cœur du modèle repose sur une discrimination entre individus fondée sur la vitesse des réactions intracellulaires plus que sur leur taille ou leur masse.

Parce qu’il est basé sur le concept de bilan de population, ce logiciel s’avère également capable de traiter des problématiques telles que l’hydrolyse enzymatique en décrivant l’évolution de la distribution en taille de la biomasse ligno-cellulosique au cours de la réaction3,4.

Le cahier de validation s’enrichira prochainement d’études relatives aux bioréacteurs multiétagés.

 

Ce logiciel peut aussi bien s’utiliser à des fins pédagogiques qu’à des fins d’expertise industrielle ou de recherche. Des applications aux procédés de synthèse de bioénergies sont visées.

 

Les trois niveaux d’hétérogénéités interconnectés dans ADENON
Les trois niveaux d’hétérogénéités interconnectés dans ADENON

 

Partenaires :

Le logiciel ADENON est actuellement utilisé dans plusieurs programmes de recherche impliquant des partenaires industriels.

 

Valorisation : Un programme de maturation soutenu par la structure de valorisation Toulouse Transfert Tech est en cours. Il vise à produire une version commercialisable du logiciel.

 

Références :

1. Pigou M, Morchain J. Investigating the interactions between physical and biological heterogeneities in bioreactors using compartment, population balance and metabolic models. Chemical Engineering Science. 2015;126(0):267-282.

 

2.  Morchain J, Pigou M, Lebaz N. A population balance model for bioreactors combining interdivision time distributions and micromixing concepts. Biochemical Engineering Journal. 2016.

 

3. Lebaz N, Cockx A, Spérandio M, Liné A, Morchain J. Application of the Direct Quadrature Method of Moments for the modelling of the enzymatic hydrolysis of cellulose: I. Case of soluble substrate. Chemical Engineering Science. 2016;149:306-321.

 

4. Lebaz N, Cockx A, Spérandio M, Liné A, Morchain J. Application of the Direct Quadrature Method of Moments for the modelling of the enzymatic hydrolysis of cellulose: II. Case of insoluble substrate. Chemical Engineering Science. 2016;149:322-333.

 

 

Contact : MORCHAIN Jérôme jerome.morchain@insa-toulouse.fr