Development, optimization and scale-up of new stirring and aeration methods at 2L, 900L and 10m3 scales for D. hansenii, S. carnosus et P. candidum
Mise au point, optimisation et extrapolation de nouveaux procédés d'agitation et d'aération aux échelles 2L, 900L et 10m3 pour les souches D. Hansenii, s. Carnosus et P. Candidum
Résumé
The objectives of this thesis are, on one hand, to develop an efficient system of agitation in terms of oxygen transfer and shear stress, suited for the fermentation of yeasts, bacteria and filamentous fungi, on the other hand, to develop a process of spore production in a liquid medium. This new process will be used instead of the solid culture in Roux flasks used by DSM at the beginning of the PhD program. In a first step, we have selected “Elephant Ears” impellers as stirrers; its effectiveness of oxygen transfer was characterized in a broad range of stirring speeds and airflow rates. The data obtained were modeled and a predictive tool for KLa and process extrapolation was developed. The extrapolation is based on the non-geometrical similarity and the coefficient of oxygen transfer (KLa) was kept constant between scales. The effectiveness of the new stirrer was validated in a pilot-scale in the presence of the cultures of bacteria, yeasts and filamentous fungi. Besides the studies on the stirrer, a process in a liquid medium of filamentous fungi was developed. Thus, the fermentation medium and the operating conditions of each steps of the fermentation (germination, vegetative growth, and sporulation) were optimized. This new process makes possible to obtain up to 200.106 cells per milliliter of culture on both laboratory and pilot scale (900L). Finally, the data gathered on the pilot scale was used to extrapolate this process to the industrial-scale of 10m3
Les objectifs de cette thèse sont, d’une part, de développer un système d’agitation performant en termes de transfert d‘oxygène et de forces de cisaillement afin qu’il soit adapté aux cultures de levures, de bactéries et de champignons filamenteux. D’autre part, de mettre au point un procédé de production des spores de champignons en milieu liquide pour remplacer la culture sur milieu solide (boîte de roux) utilisée au démarrage de la thèse par la société DSM. Ces travaux ont permis de sélectionner le mobile type « oreilles d’éléphant » comme système d’agitation. Son efficacité de transfert d’oxygène a été caractérisée dans une large gamme de débits d’air et de vitesses d’agitation. Les données obtenues ont été modélisées pour développer un outil de prédiction du KLa et d’extrapolation de procédé d’agitation. L’approche utilisée pour l’extrapolation est basée sur la similitude non géométrique et le maintien du coefficient de transfert d’oxygène (KLa) constant entre les échelles. L’efficacité du nouveau mobile d’agitation a été validée à l’échelle pilote en présence des cultures de bactéries, de levures et de champignons. Parallèlement au choix du mobile d’agitation, un procédé de production de spores de champignons filamenteux en milieu liquide a été développé. Ainsi, le milieu de culture et les conditions opératoires de chaque étape de la fermentation (germination, croissance végétative et sporulation) ont été optimisés. Ce nouveau procédé permet d’obtenir jusqu’à 200.106 cellules par millilitre de culture aussi bien à l’échelle du laboratoire que pilote (900L). Il a été aussi validé en présence de cultures de levures et de bactéries. Sur le même principe, les données obtenues à l’échelle pilote ont permis de développer un outil d’extrapolation à l’échelle industrielle de 10 m3
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