La technologie de fermentation a largement dépassé le cadre traditionnel de la production de vin ou de vinaigre pour devenir un pilier central de l’ingénierie biologique moderne. Dans l’industrie biotechnologique actuelle, l’opération de séparation solide-liquide, souvent requise pour les bouillons de fermentation, consiste à éliminer avec précision les particules solides en suspension et les impuretés (comme les cellules, les débris cellulaires, les protéines et leurs agrégats) par des moyens physiques tels que la filtration ou la centrifugation. La filtration, en tant qu’opération unitaire fondamentale, voit son efficacité et sa précision déterminer directement la qualité du produit dans les étapes ultérieures.

▶ Principe de fonctionnement

Au sens large, le procédé de fermentation se compose principalement des étapes amont, de la fermentation proprement dite (étape centrale) et des étapes aval [1]. Les étapes aval, qui concernent la séparation et la purification du produit cible à partir du bouillon de fermentation, sont souvent déterminantes pour la qualité et le coût final du produit. Elles comprennent quatre grands volets :

Selon que le produit cible se trouve à l’intérieur ou à l’extérieur des cellules, l’objectif principal de la séparation solide-liquide du bouillon de fermentation est généralement double :

Dans la technologie de filtration, la forme, la taille et la densité des particules solides déterminent l’efficacité de rétention, la vitesse de sédimentation et la clarté du filtrat. Cependant, dans la fermentation biologique, la vitesse de filtration est influencée, outre par la taille des cellules, par des facteurs tels que la composition du milieu de culture, les agents antimousse, la durée de fermentation et le prétraitement. Les caractéristiques de la souche microbienne et la viscosité du bouillon de fermentation sont parmi les influences les plus significatives [2].

▶ Analyse de la mécanique des fluides

D’un point de vue mécanique des fluides, selon l’équation différentielle classique de filtration (équation de Ruth) [3] :

Où :

Étant donné la relation entre le volume du gâteau (Ve) et le volume du filtrat (V) : Ve = F * l = x0 * V, où Fest la surface de filtration (m²) et lest l’épaisseur du gâteau (m), on peut dériver une formule de vitesse de filtration plus intuitive physiquement :

Cette formule révèle clairement l’influence de chaque paramètre sur la vitesse de filtration :

✓ La vitesse de filtration est proportionnelle à la surface de filtration (F) et à la différence de pression (Δp).

✓ La vitesse de filtration est inversement proportionnelle à la viscosité du filtrat (μ).

✓ Plus la résistance spécifique du gâteau (r0) et l’épaisseur du gâteau (l) sont grandes, plus la vitesse de filtration est lente.

Cependant, en raison de la nature particulière des matières biologiques, la situation dans la production industrielle réelle est bien plus complexe que ce modèle idéal.

Les bouillons de fermentation biologiques sont souvent des systèmes à haute viscosité et forte teneur en solides. Les simples séparations physiques se heurtent fréquemment à des problèmes d’efficacité faible, de rendement bas et de perte importante d’activité.

▶ Complexité extrême du système matière

✗ Caractéristiques des solides :​ Les particules non rigides comme les cellules sont fortement compressibles. Sous pression, leur porosité diminue, entraînant une chute drastique du débit.

✗ Caractéristiques de la phase liquide :​ La composition complexe du filtrat, avec des fluctuations de viscosité, de pH, etc., affecte directement les performances de filtration.

✗ Interactions de surface :​ Les macromolécules biologiques chargées sont sujettes à une adsorption non spécifique, entraînant une perte de produit et une contamination du média filtrant.

▶ Exigences strictes de stabilité et de préservation de l’activité du produit

✗ Sensibilité au cisaillement :​ Les enzymes, anticorps, etc., sont sensibles aux forces de cisaillement. Des contraintes de cisaillement élevées peuvent facilement les dénaturer et les inactiver.

✗ Sensibilité à la température et au pH :​ La fenêtre opératoire est étroite, limitant l’application de méthodes courantes comme l’augmentation de température pour réduire la viscosité ou le nettoyage par acides/bases forts.

▶ Exigences impératives de conception aseptique et sanitaire

✗ Contrôle des endotoxines :​ Les surfaces des équipements doivent être lisses, sans angles morts, résistantes au nettoyage et à la stérilisation, pour maîtriser les niveaux d’endotoxines.

✗ Prévention de la contamination croisée :​ Les équipements doivent pouvoir être nettoyés et désinfectés de manière approfondie, éliminant tout risque de contamination résiduelle entre les lots.

Shinkai aborde le problème sous deux angles : « l’amélioration de la structure des équipements » et « l’optimisation des paramètres de procédé ». Nous renforçons la capacité de traitement en augmentant la surface de filtration, en introduisant la filtration tangentielle (statique/dynamique) et l’automatisation, tout en résolvant les problèmes de haute viscosité, de colmatage facile et de préservation de l’activité grâce à une sélection précise et à une conception de procédé adaptée.

▶ Sélection précise et amélioration des équipements

Shinkai Biotech privilégie les médias filtrants haute performance en métal fritté, en remplacement des médias polymères traditionnels.

✓ Vaincre le colmatage et l’adsorption :​ Utilise la surface rigide du métal et sa porosité précise pour empêcher l’encastrement du gâteau, réduire l’adsorption non spécifique et améliorer le rendement.

✓ Conception pour stérilisation à haute température :​ Le choix de matériaux résistant aux hautes températures permet des stérilisations à la vapeur répétées, dépassant les limites thermiques des médias filtrants traditionnels.

▶ Optimisation du procédé et stratégie opératoire

✓ Conception fluidique à faible cisaillement :​ Optimisation des conduites et des composants de pompage pour réduire les forces de cisaillement lors du transfert, protégeant l’activité biologique.

✓ Mode de filtration dynamique :​ Prise en charge de la filtration tangentielle et du contre-lavage. L’utilisation d’un flux tangentiel retarde l’épaississement du gâteau, prolonge les cycles et permet la régénération en ligne des cartouches.

▶ Indicateurs de performance clés Shinkai

✓ Précision exceptionnelle :​ Gamme étendue de précisions de 0,1 à 100 μm, garantissant une rétention de 100% des particules solides, zéro fuite.

✓ Résistance aux hautes températures :​ Tolère des températures extrêmes (jusqu’à 900°C), répond aux besoins de stérilisation à la vapeur et des conditions opératoires sévères.

✓ Haute résistance mécanique et à la pression :​ Résistance à la pression différentielle jusqu’à 50 bar, adaptée aux environnements à haute pression.

✓ Forte résistance à la corrosion :​ Résistant aux solvants, acides et bases, compatible avec de nombreux agents de nettoyage et charges.

✓ Durée de vie très longue :​ Efficacité de régénération par contre-lavage élevée, durée de vie des cartouches pouvant atteindre 10 ans, réduisant les coûts d’exploitation à long terme.

✓ Garantie de conformité :​ Conforme aux normes GMP, c’est le choix idéal pour la séparation solide-liquide dans l’industrie biopharmaceutique et de fermentation.

Nanjing Shinkai​ s’engage à fournir, grâce à sa technologie de filtration pour fermentation biologique de haute précision, des composants centraux fiables pour l’industrie de la fermentation, aidant ainsi vos systèmes industriels à fonctionner de manière plus sûre et plus efficace. Si votre entreprise est confrontée à des défis de filtration dans les procédés de fermentation biologique, n’hésitez pas à nous contacter. Discutons ensemble de la meilleure solution.