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BioSys : de la modélisation à la commande des bioprocédés Prof. Alain Vande Wouwer - Coordinateur Dr. Laurent Dewasme – Coordinateur adjoint. BioSys. BioSys. Bio chemical Sys tems & Processes. Bio medical Sys tems & Technologies. Engineering. Centre de recherche BioSys. - PowerPoint PPT Presentation
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Faculté Polytechnique
BioSys: de la modélisation à la commande des bioprocédés
Prof. Alain Vande Wouwer - CoordinateurDr. Laurent Dewasme – Coordinateur adjoint
BioSys
Université de Mons2
Biomedical Systems& Technologies
Biochemical Systems & Processes
Institut des Sciences & Technologies de la
SantéInstitut des Biosciences
Centre de recherche BioSys
Engineering
BIO = « Relatif au Vivant »
BioSys
Université de Mons
Biomedical Systems & Technologies
Biochemical Systems & Processes
Compétences transversales
Traitement duSignal
Mécanique rationnelle
Mathématique et Recherche
opérationnelle
Géologie
Chimie et Biochimie Appliquées
Génie Chimique
Mécanique des Fluides
Informatique
Automatique
Thermodynamique
Université de Mons
• 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
Quelques exemples d’applications biotechnologiques
Université de Mons
• 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
Quelques exemples d’applications biotechnologiques
Université de Mons
Supervision de cultures cellulaires
6
Milieud‘alimentation
Débit entrant (Fin)
Milieu de cultureMélangeur
Pales
Unitéde
contrôle
Pompepéristaltique
Moteur
Base Acide
Aération
Bulleur d’air(barboteur)
Analyseurde gaz
Colonne derefroidissement
Gaine chauffante
Cellule de rétention
Récolte
Purge
Débit sortant (Fout)
Université de Mons
• 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
Supervision de cultures cellulaires
Université de Mons
Equations de bilan de masses
transportreaction
1 1 2 1
IN2 1 3 2 2
IN3 1 3 3
4 1 3 4
5 1 5
r r bl DBiomassa r r D DGlucose
Glutamine b r D DLactate c r d r D
Ammonia e r D
321 max 1 1 1
Glc 2 Gln 3
d,max d,Gln2 1 2 1
d,Gln 3max d,Lac 4 max d,Amm 5
23 Glc 1 3 1
m,Glc 3
rk k
k kr
kk k
r mk
Xv /Glc
Xv/Gln
Lac/Glc Xv/Glc
Lac/Glc
Amm/Gln Xv /Gln
parametersa,b,c,d,e 0a 1 / Yb 1 / Yc Y / Yd Ye Y / Y
blFB/FIN D=FIN/V
FP: débit de perfusion (sans cellules)
FB: purge
FIN
Identification d’un modèle de cultures cellulaires
Université de Mons
Identification d’un modèle de cultures cellulaires
d,Amm Gln Glc d,max Amm/Gln Amm,1 Gln,1 Xv /Gln Gln,1
d,Gln d,Lac m,Glc Glc max Lac/Glc Lac,1 Glc,1 Xv /Glc Glc,1
; k ; k ; k ; k ; ; Y ; Y ;; k ; k ; k ; m ; ; Y ; Y
Tnm ne ns
1ij meas,ij ij ij meas,ij
i 1 j 1
J x x Q x x
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.
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.
16 paramètres!
Université de Mons
Mise au point d’une boucle de contrôle basée sur un modèle
Se basant sur les concentrations transmises par le spectrophotomètre NIR, le système d’échantillonnage commande les pompes de supplémentation du bioréacteur.
UPLC
Sonde proche infrarouge
Contrôle de cultures cellulaires
Corrélation
Université de Mons
Mesures:• Concentration cellulaire• Concentration de glucose
Variables manipulées:• Taux de dilution• Débit de perfusion
Variables contrôlées:• Concentration cellulaire• Concentration de glucose
BioréacteurCONT3
OBS1
CONT1
CONT2
Autotuner
Autotuner
OBS2
Structure ne faisant pas appel à l’entièreté du modèle
Contrôle de cultures cellulaires
Université de Mons
• 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
Quelques exemples d’applications biotechnologiques
Université de Mons
Contrôle d’un système d’aquaculture à recirculation (RAS)
But: recirculation et purification de plus de 90% de l’eau (niveaux limités d’ammonium et de nitrates)Besoin de filtrer cette quantité d’eau:- Mécaniquement: filtres à particules- Biochimiquement: filtres membranaires, biofiltres
>90%
H2O
< 10%Biofiltre
Ci0,Xj0
u,T
Ci, Xj
u,T
Université de Mons
Biofiltration – Valeurs recommandées
ParamètrePoisson-
chat africain
Anguille européenne Tilapia Truite
T (°C) 25-27 23-26 24-30 10-18O2 (g/m3) 3-8 >6 4-6 6-8CO2 (g/m3) <25 <25 40-50 20-30Matières solides en
suspension (g/m3)
<25 <25 <15 <10
NH3-N (g/m3) <0.05 <0.05 <0.06 <0.02
NH3-NH4+
(g/m3) <8 <8 <3 <1
NO2-N (g/m3) <0.1 >15 <1 <0.1NO3-N (g/m3) <100 <100 - -
Chlorures (g/m3) - - >200 >200
Université de Mons
Biofiltration - Nitrification
NH4+
O2
NO3-
NO2-
Nitrosomonas Nitrobacter
HCO3-
Université de Mons
Biofiltration - Dénitrification
NO3-
NO2-
Csource
N2
CH3OHCH3COOHBiomass
O2
HCO3-
Université de Mons
Modélisation et contrôle d’un RAS industriel
Université de Mons
Réacteurmembranaire
Réacteur de nitrification
Réacteur de dénitrification
Aquarium
RAS – Conception d’un procédé pilote
Université de Mons
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
Université de Mons
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, …)
Université de Mons 21
4MERCI POUR VOTRE ATTENTION!
BioSys