Etude du mélange par PIV et PLIF dans un bioréacteur de culture cellulaire

Ce mémoire consiste en l’étude expérimentale de l’hydrodynamique et du mélange dans un bioréacteur de 20 litres de culture de cellules animales sur microporteurs. Les résultats obtenus serviront aux chercheurs de la société GlascoSmithKline Biologicals qui procèdent actuellement à la montée en échelle à partir d’un bioréacteur de 20 litres pour atteindre une échelle industrielle de plusieurs mètres cubes. Dès lors un grand nombre de paramètres ont été imposés tels que la géométrie du système et la gamme des vitesses de rotation du mobile et le type de celui-ci (hélice TT).
Les techniques expérimentales utilisées sont la P.I.V. (Particle Image Velocimetry) et la P.L.I.F. (Planar Laser Induced Fluorescence) qui permettent d’accéder respectivement au champ de vitesses et champ de concentrations dans un plan vertical éclairé par le laser.
Ce travail consiste en une étude paramétrique au cours de laquelle nous avons fait varier les différents constituants du nombre de Reynolds dans une cuve agitée : la vitesse de rotation N, la taille du mobile d et la viscosité du fluide µ.
Nous avons déterminé expérimentalement les grandeurs globales suivantes : le débit et nombre de pompage, le débit et nombre de circulation, la puissance dissipée globalement et le nombre de puissance y correspondant, la hauteur théorique équivalente d’une pompe et le temps de mélange. Nous avons également caractérisé l’hydrodynamique et le mélange de manière locale : en décrivant le champ de vitesses dans le plan éclairé par le laser, en déterminant la répartition du cisaillement et de la dissipation de l’énergie dans ce même plan et en représentant le mélange par un modèle compartimenté constitué d’un réseau de cuves parfaitement mélangées mises en série. L’évolution de ces grandeurs globales et locales en fonction des paramètres du nombre de Reynolds a été analysée. Les résultats obtenus donneront des informations importantes qui aideront les chercheurs de G.S.K. BIO. à affiner leur stratégie de scale-up.
Enfin, un des points cruciaux de l’opération de mélange est le maintien en suspension complète des petites billes sur lesquelles se développent les cellules qui sont appelées les microporteurs. La vitesse de rotation qui permet le maintien de cette suspension complète a été caractérisée expérimentalement et à l’aide d’un modèle qui pourra être aisément utilisé lors du processus de scale-up.