mise en suspension et contraintes hydrodynamiques sur
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Mise en suspension et contraintes hydrodynamiques sur microporteurs en procédés de cultures adhérentes.
Ecole thématique CNRS, Nancy, Avril 2014
Marie-Laure Collignon et Eric Olmos
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2
Point dPoint d’’accroche avec les praccroche avec les prééccéédentes prdentes préésentationssentations
Cellules en suspension (CHO, BHK, hybridomes,…)
(Barbouche, 2008)
Cellules adhérentes(Vero, CShM, …)
Agrégats À la surface de billes
(Olmer, 2012)
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3
ProcProcééddéé dd’’expansion de cellules adhexpansion de cellules adhéérentesrentes
1) En T-flask
Surface limitée (25-75-175 cm²)Manutention importante� Risque de contamination
2) En mode agité
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4
Mise en suspension des microporteursMise en suspension des microporteursDifférentes billes en polymère: Cytodex 1, Cytodex 3, Hillex II, CultiSpher, …
• dp~ 200-300 µm• ρ légèrement > au milieu de culture
(par ex: Cytodex 1= 1030 kg.m-3)
(Roustan et al, 1999)
Cmicroporteurs
9 g/L
3 régimes de mise en suspension:
N < Njs N > Njs
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5
1.E+04
1.E+05
1.E+06
1.E+07
20 40 60 80 100 120 140
Impact de lImpact de l’’hydrodynamique mise en hydrodynamique mise en éévidence vidence dans les anndans les annéées 80es 80--90: deux limitations90: deux limitations
Mélange insuffisant
Microporteurs stagnants
Limitations de transfert
Mélange trop intense
Contraintes mécaniques
Cellules endommagées
Vitesse de rotation du mobile (rpm)
Concentration cellulaire (cellules.mL-1) après 5 jours de culture en spinner de 250 mL. Concentration initiale = 8 104 cellules.mL-1 (issus de Hirtenstein et Clark, 1981)
Travaux de Papoutsakis et al. (1986-1991), Croughan et al. (1986-1988)
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6
Transfert d’énergie à taux constant ε
εε ε
Dissipée en chaleur
Apport d’énergie mécanique par le
moteur
Cascade dCascade d’é’énergie de Richardson et Kolmogorov nergie de Richardson et Kolmogorov
ε
Échelle de Kolmogorov
2-3 cm
100 µm
Écoulement turbulent ���� tourbillons
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7
EvEvèènements gnements géénnéérateurs de contraintes mrateurs de contraintes méécaniques caniques dd’’apraprèès Papoutsakis et al. , Croughan et al. s Papoutsakis et al. , Croughan et al. Au sein de l’écoulement liquide-solide
Aération, limitée par l’ajout de Pluronic F68
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Quantification via une mesure moyenne pour Quantification via une mesure moyenne pour ll’’ensemble du biorensemble du biorééacteur acteur àà cuve agitcuve agitéée e
V
P
l
moyen ρε =
Si εmoyen ��
Contraintes mécaniques ��
Moteur
Puissance P = f (type de mobile, N)
4/13
,
=
moyen
moyenK εν
λ
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Distribution spatiale extrêmement hDistribution spatiale extrêmement hééttéérogrogèènene
Temps (s)
L’environnement hydrodynamique local évolue au cours du temps
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10
NNéécessitcessitéé de revisiter le sujet de recherche de revisiter le sujet de recherche
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Revisite de la question: Approche EulerRevisite de la question: Approche Euler--LagrangeLagrange
Décrire la succession temporelle d’environnements hydrodynamiques rencontrés par une cellule fixée sur un microporteur
1) Sélection de géométries de référence
2) Étude eulérienne: 3D-P.I.V. et modèle CFD RANS ou LES
3) Étude lagrangienne: trajectographie optique et tracking numérique
4) Étude couplée
Temps (s)
Évolution temporelle des conditions
rencontrées
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SSéélection de glection de gééomoméétriestries
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MobilesMobiles Mobiles axiaux pour minimiser Njs
Oreille d’éléphant (EE)
Hélice TTP ou HTPG
Hélice marine
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CuvesCuves Cuves à fond bombé avec contre-pales et/ou sondes
Minibio de 0,2 L Trython de 1,2 L
Cuve modèle de 20 L
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CaractCaractéérisation eulrisation euléériennerienne
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Pourquoi?Pourquoi?
Etablir des cartes quantifiant la répartition spatiale de grandeurs clés de l’écoulement
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Comment?Comment?Expérimentalement (PIV) et/ou par simulation numérique (CFD)
Données limitées à un plan de mesureInfo 3D si symétrie de révolution mais contres-pales et plongeants
Mesures brutes
Informations 3D
Résultats dépendant du modèle
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Principe de la P.I.V.Principe de la P.I.V.
ZZ
YY
uuxx uuyy
Champ instantané de
vitesse
entre t1
et t2
=t1+Δt
t
XV
∆∆
=
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19Très variables => difficulté à décrire
Traitement: Champs instantanTraitement: Champs instantanéés s
t1 t2 t3
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DDéécomposition de Reynolds :composition de Reynolds :éécoulement turbulentcoulement turbulent
=),,,( tzyxu ),,,('),,( tzyxuzyxu +� énergie, ε, λk, contraintes
temps
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Exploitation de rExploitation de réésultats: Taux de dissipation de sultats: Taux de dissipation de ll’é’énergie cinnergie cinéétique turbulente tique turbulente εεεεεεεε
ε (W/kg)
TTP
Njs=50 rpm
ε (W/kg)
EE
Njs=20 rpm
Distribution spatiale différente mais même gamme de valeurs
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CaractCaractéérisation lagrangiennerisation lagrangienne
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Pourquoi?Pourquoi?
Déterminer la trajectoire suivi par une particule au cours du temps dans le bioréacteur
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Comment: Dispositif de trajectographie optiqueComment: Dispositif de trajectographie optique
2352 x 1728 pixels
60 images/s
Backlights
Leds blanches
dp=490 µm
ρp=1028 kg/m³
Bon traceur
Inspiré des travaux de Wittmer (97) et Petiot (99)
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ModModéélisationlisation
Position (X,Y,Z) de la particule = Intersection des deux faisceaux
⇒Modélisation des caméras
Y
X
Z
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Gestion des donnGestion des donnééeses
Traitement en ligne des images
⇒ Plusieurs objets détectés par image
t-1t-2
Vitesse instantanée entre t-2 et t-1
Algorithme de tri développé dans matlab
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Trajectoires mesurTrajectoires mesurééeses
Structure de l’écoulement moyen
Caractère aléatoire de l’écoulement turbulent
R(mm)
Y(mm)
X(mm)
Z(mm)
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Trajectoires mesurTrajectoires mesurééeses
Structure de l’écoulement moyen
Caractère aléatoire de l’écoulement turbulent
R(mm)
Y(mm)
X(mm)
Z(mm)
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Validation via le calcul du champs de vitesse Validation via le calcul du champs de vitesse moyen et de lmoyen et de l’é’énergie turbulente vs rnergie turbulente vs réésultat P.I.V.sultat P.I.V.
Vitesses instantanées entre t et t+1
Maillage de la cuve
'uuu +=
TTP
Njs=50 rpm
(m/s)(J/kg)
Convergence temporelle après 24h d’acquisition
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30
Etude couplEtude coupléée e
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Pourquoi?Pourquoi?
Superposer les trajectoires sur les cartes eulériennes
Temps (s)
Évolution temporelle des conditions
rencontrées
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Exemple de rExemple de réésultatssultats
εεεε (W/kg)
TTP
Njs=50 rpm λλλλk (m)
λλλλk/dp µporteurs
3/2/ <pk dλ
Discussions:
•Type de mobile•N
•Critère λk/dp 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30
0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30
Time (s)Time (s)
DT zone DT cycle
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Couplage hydroCouplage hydro--biologiquebiologique
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Objectifs Objectifs Design et conditions opératoires (N, …)
La réponse de cellules adhérentes cultivées sur
microporteurs
L’hydrodynamique
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Objectifs Objectifs
In fine: modèle intégré et règles de montée en échelle basésur une description à l’échelle locale
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2 axesHydrodynamique Biotechnologique
2 types cellulaires cultivées sur µporteurs Cytodex 1
Lignée continue: VERO
Tryton de 1 ,2 L
Cellules souches mésenchymateusesMinibio de 0,2 L
Suivi: Croissance (comptage au microscope via cellules de Fuchs Rosendal)Nécrose, Lyse (LDH) et apoptose cellulaire (cytométrie à flux)Métabolisme (glucose, lactate, glutamine et ions ammonium)
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Compréhension du Couplage
Hydrodynamique Biotechnologique
Sur base de l’étude hydrodynamique:
Plan d’expérience pour mener les cultures avec comme variable: N, type de mobile, viscosité, concentration µporteurs
Mettre en évidence le paramètre clé: <ε>, λk/dp, exposition aux ε les plus élevés de la distribution, fréquence d’exposition?
Tryton, EE, Njs = 54 rpm
TrytonHTPG, Njs = 84 rpm
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Merci pour votre attention
La suite au prochain épisode…
Questions?