BioSys

1. BioSys: de la modélisation à la commande des bioprocédésProf. Alain Vande Wouwer - CoordinateurDr. Laurent Dewasme – Coordinateur adjoint BioSys

2. BioSys BiochemicalSystems& Processes BiomedicalSystems & Technologies Engineering Centre de recherche BioSys Institut des Biosciences Institut des Sciences & Technologies de la Santé BIO = « Relatif au Vivant »

3. Biomedical Systems & Technologies Biochemical Systems & Processes Compétences transversales Informatique Mathématique et Recherche opérationnelle Traitement duSignal Automatique Mécanique rationnelle Chimie et Biochimie Appliquées Thermodynamique Mécanique des Fluides Génie Chimique Géologie

4. Quelques exemples d’applications biotechnologiques • Supervision et contrôle de cultures bactériennes/de levures • Supervision et contrôle de cultures micro-algales • Supervision et contrôle de cultures cellulaires • Modélisation mathématique de cultures de champignons • Modélisation mathématique de la digestion anaérobie • Optimisation de la séparation de sucres par chromatographie à lit mobile simulé • Modélisation et contrôle d’un système d’aquaculture à recirculation

5. Quelques exemples d’applications biotechnologiques • Supervision et contrôle de cultures bactériennes/de levures • Supervision et contrôle de cultures micro-algales • Supervision et contrôle de cultures cellulaires • Modélisation mathématique de cultures de champignons • Modélisation mathématique de la digestion anaérobie • Optimisation de la séparation de sucres par chromatographie à lit mobile simulé • Modélisation et contrôle d’un système d’aquaculture à recirculation

6. Supervision de cultures cellulaires Débit entrant (Fin) Milieu d‘alimentation Milieu de culture Aération Analyseur de gaz Moteur Colonne de refroidissement Récolte Unité de contrôle Pompe péristaltique Mélangeur Pales Base Acide Bulleur d’air (barboteur) Gaine chauffante Cellule de rétention Purge Débitsortant(Fout) 6

7. Supervision de cultures cellulaires • Avantages • Alimentation en substrat et élimination des produits métaboliques toxiques (ammonium, lactate) en continu • Possibilité d’atteindre un état d’équilibre de fonctionnement • Régulation du pH via une moindre addition de base • La rétention des cellules à la sortie de la perfusion permet d’atteindre de plus hautes densités cellulaires pour un volume de réacteur limité • Inconvénients • Possibles pertes de milieu de culture (non utilisé et très cher) • Dilution du produit d’intérêt dans le traitement en aval

8. Identification d’un modèle de cultures cellulaires FIN • Equations de bilan de masses FP: débit de perfusion (sans cellules) reaction transport FB: purge • bl=FB/FIN • D=FIN/V

9. Identification d’un modèle de cultures cellulaires • 16 paramètres! • Procédure d’identification • Proposition de valeurs initiales des paramètres; • Prédictions du modèle (simulations); • Estimation de la distance de ces prédictions par rapport aux données expérimentales: calcul d’une fonction de coût J. • Sur base de cette distance, un algorithme d’optimisation recalcule les paramètres pour une nouvelle prédiction. Cette procédure se répète jusqu’à ce qu’un critère de tolérance soit atteint.

10. Contrôle de cultures cellulaires Mise au point d’une boucle de contrôle basée sur un modèle Sonde proche infrarouge Se basant sur les concentrations transmises par le spectrophotomètre NIR, le système d’échantillonnage commande les pompes de supplémentation du bioréacteur. Corrélation UPLC

11. Autotuner • Contrôle de cultures cellulaires CONT1 • Mesures: • Concentration cellulaire • Concentration de glucose CONT 3 Bioréacteur CONT2 • Variables contrôlées: • Concentration cellulaire • Concentration de glucose Autotuner OBS1 OBS2 • Variables manipulées: • Taux de dilution • Débit de perfusion Structure ne faisant pas appel à l’entièreté du modèle

12. Quelques exemples d’applications biotechnologiques • Supervision et contrôle de cultures bactériennes/de levures • Supervision et contrôle de cultures micro-algales • Supervision et contrôle de cultures cellulaires • Modélisation mathématique de cultures de champignons • Modélisation mathématique de la digestion anaérobie • Optimisation de la séparation de sucres par chromatographie à lit mobile simulé • Modélisation et contrôle d’un système d’aquaculture à recirculation

13. Ci0,Xj0 Ci, Xj Biofiltre • Contrôle d’un systèmed’aquaculture à recirculation (RAS) u,T u,T H2O < 10% >90% • But: recirculation et purification de plus de 90% de l’eau (niveauxlimitésd’ammonium et de nitrates) • Besoin de filtrercettequantitéd’eau: • Mécaniquement: filtres à particules • Biochimiquement: filtresmembranaires, biofiltres

14. Biofiltration – Valeursrecommandées

15. O2 Biofiltration - Nitrification NO3- NH4+ HCO3- NO2- Nitrobacter Nitrosomonas

16. NO3- N2 Biofiltration - Dénitrification HCO3- Csource NO2- O2 CH3OH CH3COOH Biomass

17. Modélisationet contrôle d’un RAS industriel

18. RAS – Conception d’un procédé pilote Réacteur de dénitrification Aquarium Réacteur membranaire Réacteur de nitrification

19. Quelques réalisations durables Installation d’un labo de chromatographie par SMB – collaboration avec l’ULB et MPI Magdeburg Installation de trois labos de cultures de bactéries, micro-algues et cellules animales – collaborations avec ULB, INRIA Sophia Antipolis, KUL Installation (en cours) d’un labo dédicacé environnement (épuration d’eau avec réacteur membranaire et biofiltres et digestion anaérobie d’algues) - collaboration UCL, INRA montpellier

20. BioSys participe aux appels à projets • RW (PPP, Pôles de Compétitivité, WBGreen(Health), First, Recherche Collective, BEWARE…) • http://spw.wallonie.be/ • EU (Horizon 2020, ERA-NET, EUROSTARS,…) • http://cordis.europa.eu/home_fr.html • FNRS (FRIA, Projets de Recherche, …) • http://www2.frs-fnrs.be/ • BELSPO (Echanges) • UMons (Cotutelle 50/50, …)

21. 4 Merci pour votre attention! BioSys