Élaboration d'un bioréacteur tubulaire à base d'hydrogel pour la culture de bactéries

This thesis describes the design and implementation of a tubular hydrogel bio reactor to cultivate bacteria. Hydrogel tubes are formed by a process of low flowrate coextrusion of an external viscous solution of alginate polymer and an aqueous internal solution in a gelling bath containing divalent cations which is placed at variable distance from the extrusion nozzle. The geometric properties and the stability of such a liquid bridge depend on the extrusion rate and on the composition of the core fluid, which in turn determine the characteristics of the hydrogel tube. The formation of the tube results from a competition between the spreading of the alginate solution on the free surface of the bath and the sol-gel transition induced by the diffusion of cations from the bath. The use of barium to gel a heat-sterilized alginate solution makes it possible to obtain a stable hydrogel under physiological conditions of microbial culture but leads to a heterogeneous hydrogel, thus making the tubes not functional. The gelation of the alginate with calcium, resulting in a homogeneous hydrogel, followed by an ion exchange step with barium makes it possible to obtain transparent tubes that are mechanically and thermodynamically stable. Subsequently, the tubes are placed in a flow cell having an observation window to be able to perfuse them but also to induce a flow of the external culture medium in contact with the semi-permeable membrane constituted by the hydrogel, allowing the culture of bacteria over several days.
Cette thèse décrit la conception et la mise en place d’un bioréacteur tubulaire en hydrogel pour la culture de bactéries. Des tubes d’hydrogel sont formés par un procédé de coextrusion à bas débit d’une solution visqueuse de polymère d’alginate et d’une solution interne aqueuse dans un bain gélifiant contenant des cations divalents qui est placé à distance variable de la buse d’extrusion. Les propriétés géométriques et la stabilité d’un tel pont liquide dépendent notamment du débit d’extrusion et de la composition du fluide de cœur qui à leur tour déterminent les caractéristiques du tube d’hydrogel ainsi formé. La formation du tube résulte d’une compétition entre l’étalement de la solution d’alginate à la surface libre du bain et de la transition sol-gel induite par la diffusion des cations depuis le bain. L’utilisation du baryum pour gélifier l’alginate permet d’obtenir un hydrogel stable dans des conditions physiologiques de culture microbienne mais conduit à un hydrogel hétérogène, notamment en lien avec le traitement thermique pour stériliser la solution d’alginate, rendant alors les tubes non fonctionnels. La gélification de l’alginate par du calcium, conduisant à un hydrogel homogène, puis une étape d’échange ionique par du baryum permet alors d’obtenir des tubes mécaniquement et thermodynamiquement stables ainsi que transparents. Par la suite, les tubes sont placés dans une cellule de flux possédant une fenêtre d’observation afin de pouvoir les perfuser mais également d’induire un écoulement du milieu de culture extérieur au contact de la membrane semi-perméable que constitue l’hydrogel. Il est ainsi possible de cultiver bactéries sur plusieurs jours.