Axe Biotransformation
L’axe Biotransformation aborde le domaine des biotechnologies industrielles avec l’ambition de contribuer à la conception et l’optimisation de bioprocédés industriels innovants conjuguant performance et robustesse de procédés. Une approche multi-échelle, de la cellule à l’outil de production, est développée au sein de l’équipe et appuyée par ses compétences multidisciplinaires incluant le génie des procédés, la microbiologie et des compétences industrielles. Différents aspects des procédés biotechnologiques sont étudiés, de la compréhension des phénomènes biologiques à l’optimisation et contrôle commande de systèmes de culture, en mettant en œuvre une synergie entre expérimentation et modélisation.
Les travaux menés dans cet axe concernent la maîtrise et l’exploitation de différents types de microorganismes (levures, microalgues, champignons filamenteux, cellules végétales), afin de développer des des applications variées : environnementale (traitement d’effluents, bio-fixation de CO2), énergétique (méthanisation, co-digestion, biocarburants), alimentaire (fermentation vinicole, biomasse microalgale) et la production de molécules à moyenne et haute valeur ajoutée (pour la chimie verte, cosmétique, pharmaceutique …). Ces travaux ont souvent abouti aux procédés améliorés ou innovants.
Approches développées
Etudes métaboliques et réponses au niveau population
L’étude du métabolisme au niveau de réponse physiologique de population, permet de mieux comprendre le vivant et son interaction avec son environnement afin de pouvoir le maîtriser, le contrôler et l’exploiter au sein des procédés. Pour cela, l’équipe, en partenariat avec le socle modélisation et les différentes plateformes, conçoit et met en place des outils originaux, innovants et instrumentés de caractérisation et de suivi (imagerie, cultures immobilisées, microsystèmes, mini-bioréacteurs, capteurs…) pour prédire le comportement de systèmes biologiques. Les mécanismes d’adaptation sont observés et prédits en fonction des facteurs abiotiques (T°, P°, lumière …) et biotiques dans le cas de cultures mixtes, pour développer des stratégies d’optimisation.
Cultures photosynthétiques et production de molécules cibles
La Chaire conçoit et instrumente des systèmes de production optimisés de microalgues en abordant différents designs : système ouvert type raceway ou système fermés (airlift, photobioréacteurs plan, ou parfaitement agité). Il existe deux voies de valorisations : la biomasse entière (applications environnement, énergie, alimentation humaine et animale) et l’extraction de molécules à haute valeur ajoutée (domaine cosmétique et pharmaceutique). Dans le premier cas, l’optimisation de la croissance est recherchée avec une formulation adaptée des milieux de culture et l’étude des facteurs environnementaux (pH, T°, lumière …). Dans le second cas, des conditions de stress sont appliquées pour induire la production de molécules cibles (PUFA, DHA, astaxanthine, phycocyanine …).
L’équipe travaille sur l’étape de récolte et les procédés DSP, en partenariat avec l’axe Techniques séparatives.
Conception, optimisation et contrôle des procédés
A partir du couplage entre modèles biologiques issus d’études métaboliques et des populations, et son expertise en génie des procédés (mécaniques des fluides, hydrodynamique,thermodynamique et expériences industrielles), l’équipe développe et optimise des bioprocédés innovants en voie liquide (bioréacteurs et photobioréacteurs) ou de fermentation en milieu solide. Ces procédés innovants peuvent faire l’objet de design de (photo)bioréacteurs à façon.
Le changement d’échelle de ces procédés est mis en œuvre grâce aux équipements de l’usine pilote et le compétences du socle modélisation/simulation, afin de valider les performances des systèmes développés. L’optimisation des procédés est appuyée par le développement de capteurs et l’application de lois de contrôle-commande robustes, en partenariat avec la plateforme instrumentation.
Exemples de réalisation
- Conception et validation de bioréacteurs thermiquement isolés pour un procédé de pilotage fed-batch de la production de levure (breveté en collaboration avec Oeno Concept) – Projet IMAFOeno
- Conception de mini-bioréacteurs sous pression (jusqu’à 8 bars), permettant une étude de l’influence de la pression sur la croissance de cultures de levures par downsizing en reproduisant et simulant les conditions hydrostatiques de la pression imposée à l’échelle industrielle
- Digestion anaérobie de la biomasse de microalgues pour la production de biogaz – Projets Algue4Biomethane
- Optimisation de la culture de souches microalgales adaptée aux conditions du nord-ouest Europe – Projet IDEA : L’equipe participe avec 10 partenaires européens à la mise en place d’une chaine de valorisation commerciale des microalgues dans la région de nord-ouest de l’Europe.
- Etude fine et Modélisation de la croissance des champignons filamenteux en collaboration avec le laboratoire FARE de Reims
- Étude des interactions entre les espèces (cultures mixtes)
- Conception et automatisation d'un raceway
- Traitement des eaux usées de l’industrie sucrière par culture de microalgues – Projet Demalgue
Equipements
- Bioréacteurs de 450 mL sous pression (jusqu’à 8 bars), développés sur mesure
- Microphotobioréacteurs instrumentés, développés en interne
- Bioréacteurs de 2 à 5 L instrumentés
- Photobioréacteurs de 5 L
- Thermocycleur pour la biologie moléculaire avec possibilité de faire de la RT-qPCR
- Compteur de cellules/particules en suspension avec granulometrie
- Appui des équipements de l’Usine Pilote pour la montée en échelle des procédés développées.
- Fort lien avec la plateforme Imagerie et la plateforme Analytique.