Mettre ses outils et son expertise au service du monde industriel, c’est l’une des fonctions du Laboratoire de Génie Chimique de l’Université de Liège. Il a récemment publié les résultats d’une étude d’hydrodynamique à l’intérieur de réacteurs à usage unique destinés au développement de cultures de cellules animales dans le secteur pharmaceutique. Evitant aux entreprises de rigoureux processus de nettoyage et de stérilisation des cuves classiques, ces réacteurs jetables en plastique sont progressivement accueillis comme des alternatives économiques sérieuses. Encore faut-il pouvoir expertiser leurs performances, particulièrement quand leurs fabricants s’autorisent l’élaboration de formes géométriques peu orthodoxes. Une belle étude, à cheval entre la recherche fondamentale et les impératifs économiques du monde industriel.

Pour développer des cultures cellulaires, l’industrie pharmaceutique utilise des réacteurs en inox, dont l’entretien et le nettoyage sont particulièrement fastidieux et coûteux. De plus en plus de fabricants proposent une alternative qui peut paraître saugrenue, des réacteurs en plastique à usage unique. Le milieu universitaire est souvent sollicité pour quantifier leurs performances et vérifier qu’ils n’ont rien à envier aux réacteurs classiques.

C’est le cas des chercheurs du laboratoire de Génie Chimique de l’Université de Liège. Récemment, le géant pharmaceutique GlaxoSmithKline (GSK) a fait appel à leurs services pour caractériser  l’écoulement du liquide à l’intérieur du Nucleo, l’un de ces bioréacteurs, proposé par la firme ATMI LifeSciences

GSK avait toutes les raisons de conserver une certaine réserve. Non seulement ces réacteurs sont jetables, mais en plus, ils sont parallélépipédiques. Or il est  tenu pour acquis  dans le secteur que la forme géométrique optimale pour un mélange homogène, nécessaire au bon développement des cellules, est le cylindre. La commande adressée aux chercheurs, emmenés par Marie-Laure Collignon et Sébastien Calvo, sous la direction de Dominique Toye, était donc de vérifier l’hydrodynamique à l’intérieur du réacteur. Une analyse qui devait permettre de voir si, à déploiement énergétique similaire, le mélange des fluides était aussi efficace que dans des réacteurs classiques. Les résultats ont été publiés en janvier 2015 dans le Biochemical Engineering Journal(1). Eloquents, ils illustrent par la même occasion une méthodologie et un développement d’outils utiles pour des applications plus larges, tant en recherche fondamentale qu’en science appliquée.

Des réacteurs pour cultiver des cellules

L’histoire se passe donc dans l’industrie pharmaceutique. Plus précisément, lors d’une étape précise de la chaîne de fabrication de vaccins. « Traditionnellement, des réacteurs en inox sont utilisés pour cultiver des cellules animales, développe Dominique Toye, chargée de cours au Laboratoire de Génie Chimique de l’Université de Liège. Evidemment, ce ne sont pas des réacteurs d’avion. On pourrait plutôt les assimiler à des cuves, à des grandes casseroles pouvant aller d’une capacité de 50 litres à plusieurs mètres cubes. Et si on les appelle des « réacteurs », c’est simplement parce que ce sont des récipients dans lesquels on met en œuvre des « réactions » à l’échelle industrielle. Ces réactions peuvent être chimiques, biochimiques ou biologiques. »

Les cellules cultivées pourront ensuite être infectées par un virus pour leur permettre de créer des anticorps utilisés ensuite dans le développement des vaccins. Mais pour se reproduire, elles ont besoin de nourriture (glucose, sels minéraux…) et d’oxygène, approvisionnés dans le mélange liquide qui remplit le réacteur. « Il y a deux impératifs pour une culture optimale. Premièrement, ces réacteurs doivent rester stériles. Autrement, d’autres microorganismes plus costauds pourraient se développer plus rapidement dans les mêmes conditions, au détriment des cellules désirées. Ensuite, le système doit être le plus homogène possible. Le fluide doit donc être mélangé à l’aide d’un mobile d’agitation placé au milieu du réacteur. Ce mobile, qui tourne à la manière d’une hélice, doit être assez rapide pour que le liquide ait une vitesse suffisante pour un mélange dans toutes les zones de la cuve. Mais sa vitesse de rotation doit également être limitée pour au moins deux raisons. Une trop grande agitation pourrait abîmer les cellules, et l’autre raison est économique. Plus le moteur tourne vite, plus la consommation énergétique est élevée. Il y a donc optimum à trouver. » Les cuves cylindriques à fond bombé habituellement utilisées permettent de concilier une bonne qualité de mélange et d’être facilement nettoyables car elles ne présentent aucun angle susceptible de favoriser l’encrassement.

(1) Marie-Laure Collignon, Laurent Droissart, Angélique Delafosse, Sebastien Calvo, Steven Vanhamel, Roman Rodriguez, Tom Claes, Fabien Moncaubeig, Ludovic Peeters, Michel Crine, Dominique Toye, Hydrodynamics in a disposable rectangular parallelepiped stirred bioreactor with elliptic pendulum motion paddle, Biochemical Engineering Journal, Volume 93, 15 January 2015, Pages 212–221