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Keywords:

  • fermentation;
  • scale-up;
  • concentration fluctuations

Abstract

Cells grown in production-scale stirred bioreactors experience fluctuating concentrations due to local variations in supply and consumption of oxygen and nutrients. A new method for studying the effects of fluctuations in local conditions on growth and productivity of cells was developed using a Monte Carlo approach to simulate circulation within a fermenter. A small fermenter was driven through cycles of aeration and feeding, with the time of each cycle controlled by a Monte Carlo method to give a log-normal distribution. Experiments with Monte Carlo supply of air to batch and fed-batch cultures of Saccharomyces cerevisiae showed that the method gave reproducible results which were different from both periodic cycling and continuous supply. When substrate was provided to a fed-batch culture of S. cerevisiae according to the Monte Carlo method, the yields of biomass were higher than experiments with continuous feeding or periodic feeding.

Des cellules cultivées dans ades bioréacteurs agités à l'échelle de la production font face à des concentrations fluctuantes à cause des variations locales dans l'apport et la consommation d'oxygène et de nutriments. Une nouvelle méthode visant à étudier les effets des fluctuations dans des conditions locales sur la croissance et la productivité des cellules a été mise au point au moyen d'une méthode de Monte Carlo pour simuler la circulations dans un fermenteur. On a fait subir à un petit fermenteur des cycles d'aération et de circulation, la durée de chaque cycle étant contrǒlée par une méthode de Monte Carlo pour donner une distribution logarithmique normale. Les expériences menées avec l'apport d'air de type Monte Carlo aux cultures discontinues et alimentées de façon discontinue de Saccharomyces cerevisiae montre que la méthode donne des résultats reproductibles qui sont différents de ceux obtenus à la fois par les cycles périodiques et l'apport continu. Lorsqu'on fournit du substrat à une culture alimentée de facon discontinue de S. cerevisiae d'après la méthode de Monte Carlo, les rendements de la biomasse sont plus élevès que dans les expériences menées avec une alimentation soit continue soit périodique.