Bioréacteurs à agitation orbitale, à bascule et à cuve agitée – les avantages de chacun

Nous avons déjà publié des articles comparant les bioréacteurs à usage unique aux bioréacteurs réutilisables en acier inoxydable ou en verre.

Nous avons déjà publié des articles comparant les bioréacteurs à usage unique aux bioréacteurs réutilisables en acier inoxydable ou en verre. Vous pouvez y lire quand passer à l’usage unique, les avantages de l’usage unique dans les bioprocédés à petite échelle et les impacts environnementaux des bioréacteurs à usage unique et réutilisables. Dans cet article, nous comparons les technologies de mélange suivantes : bioréacteurs à agitation orbitale, à bascule et à cuve agitée. À Interphex 2021, nous avons eu l’occasion de nous entretenir avec des ingénieurs de Kuhner Shaker au sujet de leurs nouveaux bioréacteurs à agitation orbitale, de MicroDigital Co. au sujet de leurs bioréacteurs à bascule à usage unique Cel Bic, et d’Eppendorf au sujet de leurs bioréacteurs à cuve agitée. Chacune de ces technologies de bioréacteur peut être utilisée avec des bioréacteurs à usage unique ou réutilisables, et elles diffèrent principalement par leur méthode d’aération et de mélange de la culture, destinée à maximiser le transfert d’oxygène de l’environnement du bioréacteur vers les cellules en croissance.

Bioréacteurs à cuve agitée

Les bioréacteurs à cuve agitée sont le classique de l’industrie. Ils sont généralement cylindriques, contiennent au moins un sparger pour introduire le gaz dans le milieu de culture et utilisent un agitateur pour mélanger la culture cellulaire et fragmenter/répartir les bulles de gaz dans tout le bioréacteur. Ces bioréacteurs peuvent être à usage unique ou en acier inoxydable. Les réacteurs à usage unique vont d’environ 15 mL à 2 000 L, et les bioréacteurs réutilisables peuvent atteindre 50 000 L.

Avantages

Les bioréacteurs à cuve agitée sont souvent utilisés pour faire passer un bioprocédé de la R&D à l’échelle de la fabrication. Comme ils ont fait leurs preuves dans le temps et sont les plus couramment disponibles, les mathématiques, la physique et la biologie du transfert de masse sont bien connues. Ces principes de mélange connus rendent le transfert de gaz très efficace dans les bioréacteurs à cuve agitée. Ils sont aussi très flexibles sur une large plage de conditions de fonctionnement, ce qui signifie qu’ils peuvent servir à cultiver des cellules de mammifères sensibles avec de faibles contraintes de cisaillement, ou à faire croître certains champignons exigeant des températures extrêmes et des pressions élevées.

Inconvénients

Si le barbotage permet le transfert d’oxygène dans de plus grands volumes et a un encombrement plus réduit, il n’est pas aussi efficace que le transfert d’oxygène par l’espace de tête. Un autre inconvénient est la contrainte de cisaillement introduite par les agitateurs, qu’il faut réduire au minimum lors de l’agitation de cultures de cellules de mammifères. Les agitateurs introduisent en outre de la mousse dans les bioréacteurs et doivent être traités avec des agents antimousse. Enfin, les agitateurs et les spargers des bioréacteurs en acier inoxydable doivent être soigneusement nettoyés pour éviter la contamination.

Bioréacteurs à bascule

Les bioréacteurs à bascule (ou à vagues) sont eux aussi assez courants. Ce sont généralement de grandes poches en plastique à usage unique, posées à plat sur une plateforme à bascule douce (<100 tr/min). Ces bioréacteurs apportent l’oxygène à la culture cellulaire par l’espace de tête et mélangent le bouillon grâce à la plateforme à bascule. Les bioréacteurs à bascule sont le plus souvent utilisés en laboratoire. Comme ils sont très efficaces mais ont un encombrement important, ils peuvent aussi être utilisés pour de petits volumes de production ou pour ensemencer de plus grands bioréacteurs à cuve agitée.

Avantages

Les grands bioréacteurs à bascule plats, à 2 dimensions, ont un rapport surface/volume très élevé, pour un transfert de masse d’oxygène très efficace. Ils sont aussi plus doux que les bioréacteurs à cuve agitée, car ils aèrent entièrement la culture sans avoir besoin d’agitateurs. Enfin, comme les bioréacteurs à bascule n’utilisent ni spargers ni agitateurs et sont le plus souvent à usage unique, ils sont simples à nettoyer et ne présentent presque aucun risque de contamination croisée.

Inconvénients

Les grands bioréacteurs à bascule plats se prêtent mal au changement d’échelle. Leur taille ne va généralement que de 5 à 100 L, limitée par la vitesse de transfert d’oxygène par l’espace de tête.

Bioréacteurs à agitation orbitale

Les bioréacteurs à agitation orbitale reposent sur une plateforme qui mélange par un mouvement circulaire, aussi simple qu’un cercle 2D ou aussi complexe qu’un huit 3D. Comme les bioréacteurs à bascule, ils apportent le gaz entièrement par l’espace de tête.

Avantages

Le mouvement tourbillonnant fait remonter le bouillon de culture cellulaire sur les parois du bioréacteur, ce qui forme une couche de fluide très mince adhérant à la paroi de la cuve. Cela permet un transfert d’oxygène maximal sans grand encombrement. Le transfert de masse dépend entièrement du débit de gaz dans l’espace de tête ; les bioréacteurs à agitation orbitale se prêtent donc bien à un changement d’échelle linéaire.

Cette approche du mélange atténue aussi la contrainte de cisaillement, ce qui la rend bien adaptée aux cultures de cellules de mammifères.

Des bioréacteurs à agitation orbitale, pas des flacons agités

Les flacons agités sont une option peu coûteuse et facile à utiliser pour la culture cellulaire dans un laboratoire à petite échelle. Ils se prêtent mal au changement d’échelle, car ils n’ont pas l’ensemble complet de capteurs d’un bioréacteur et ne peuvent ni surveiller, ni réguler, ni réagir aux conditions de l’environnement. Les bioréacteurs à agitation orbitale sont entièrement équipés de capteurs et évolutifs.

Inconvénients

Si les bioréacteurs à agitation orbitale résolvent bon nombre des problèmes associés au barbotage et à l’agitation par agitateur, il s’agit d’une technologie bien plus récente. Les mathématiques du changement d’échelle et du transfert de masse d’oxygène sont bien moins connues que pour les autres types de bioréacteurs.

Quel type de bioréacteur dois-je utiliser ?

Les bioréacteurs à cuve agitée ont fait la preuve de leur bon comportement au changement d’échelle, peuvent être régulés très précisément et fonctionnent selon des principes de transfert de masse connus. Les bioréacteurs à bascule ont le transfert de masse le plus efficace, mais l’encombrement devient vite un problème lors du changement d’échelle. Les bioréacteurs à agitation orbitale sont une technologie plus récente, mais qui a le potentiel d’offrir une efficacité et des rendements élevés, ainsi qu’un changement d’échelle linéaire.

Selon les volumes de production nécessaires et le plan de changement d’échelle, différents types de bioréacteurs seront probablement plus ou moins avantageux selon les phases de développement. Choisir des bioréacteurs optimisés pour chaque phase de développement est une stratégie solide. Il peut toutefois être viable de choisir plutôt un bioréacteur peu adapté aux phases précoces mais capable de passer facilement de l’échelle du laboratoire à celle de la fabrication.

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