Conception et optimisation d'un procédé extrapolable de purification d'acides hyaluroniques produits par culture microbienne

Abstract

Hyaluronic acid (HA) is a biopolymer with mechanical and biological properties interesting the health and cosmetic areas. The industrial HA production is realized by implementation of streptococcus strains (group C or D). At the end of the production phase, a part of HA is free in a complex culture medium while the other remains associated to the cells in a capsule. The two main difficulties of the purification of HA lie, firstly, on the complexity of the production medium and, secondly, on the high requirements of the European Pharmacopoeia for such an application. The aim of this thesis was to provide an appropriate sequence of separation processes and a set of operating conditions for HA purification from a complex production medium which complies with the Pharmacopea. Initially, two original analytical methods for quantifying and evaluating the size of HA in complex environments have been developed in order to evaluate the performance criteria of the separation processes. Then, the HA extraction from the capsule, the elimination of cells, the purification and drying of HA were using classical separation processes and studied. The HA extraction by SDS or TCA showed that the HA bound to cells corresponds to 7 % of HA production. As a consequence, it was concluded that this step was not necessary. The cell separations from the culture medium by tangential microfiltration was unsuitable because of an excessive retention of HA (even at pore diameters higher than 0.22 µm) and a too fast membrane clogging. Good performances were observed with dead-end filtration using Celite. Then, the purification of HA by diafiltration (DF) with ultrafiltration membranes was considered. The operating conditions (PTM, feed rate, HA concentration and cutoff) allowing to maximize the permeate flow rate and the HA retention were selected from design of experiments methodology. The performances of purification by diafiltration (DF) in these conditions (yield, purity and productivity) were monitored. A method for predicting the performances according to the complex medium composition, based on the conventional mass balance equations and the DF permeate flow rate, was then proposed. This was done in order to facilitate the arrangement of the purification steps. In DF, the requirement of the pharmacopoeia in term of overall purity was obtained (> 95 %) but the proteins and nucleic acids levels were still above the threshold. This is why the adsorption of these molecules on activated carbon was studied as a function of temperature, ionic strength, pH and the type of activated carbon. The isotherm equations that better fitted the experimental data were selected and used combined to the equations of DF performances in order to find an appropriate chaining. Finally, the AH lyophilization and precipitation in organic solvent were compared. Both drying methods present less than 20 % moisture and preserve the properties of the moleculeL’acide hyaluronique (AH) est un polymère osidique aux propriétés mécaniques et biologiques d’intérêt pour le secteur de la santé et des cosmétiques. L’AH est produit à l’échelle industrielle par mise en oeuvre de souches de streptocoques groupe C et D. A l’issue de la production, une part de l’AH est libre dans le milieu de culture complexe, l’autre est associée à la capsule des cellules. La purification de l’AH est délicate en raison, d’une part, de la complexité des milieux de production et, d’autre part, des exigences de la pharmacopée européenne. L’objectif de cette thèse a été de proposer un enchaînement d’opérations et de conditions opératoires permettant une purification de l’AH à partir d’un milieu de production. Au départ, deux méthodes analytiques originales de quantification et d’évaluation de la taille de l’AH en milieux complexes ont été mises au point afin de pouvoir évaluer les critères de performance des procédés de séparation. Ensuite, quatre opérations permettant, premièrement l’extraction, deuxièmement l’élimination des cellules productrices d’AH, troisièmement la purification, et enfin, le séchage d’AH ont été établies. L’étude de l’extraction de la capsule d’AH assistée par SDS ou au TCA a permis d’établir que l’AH lié aux cellules ne représente que 7 % de l’AH produit. Il en a été déduit que cette étape n’est pas nécessaire. L’étude de la séparation des cellules du milieu de culture a montré que la microfiltration tangentielle n’est pas adaptée en raison, d’une part, d’une rétention trop élevée de l’AH (même avec des diamètres de pores supérieurs à 0,22 µm) et d’autre part, d’un colmatage trop rapide des membranes. Cette étape doit être réalisée par filtration frontale sur adjuvant de filtration (Célite). La purification de l’AH a été envisagée par diafiltration (DF) avec des membranes d’ultrafiltration. L’étude des conditions opératoires (PTM, débit d’alimentation, concentration en AH et seuil de coupure), par plan d’expériences, a permis de sélectionner des conditions qui maximisent le flux de perméat ainsi que la rétention d’AH. Ces conditions ont été appliquées en diafiltration au cours de laquelle les performances de séparation (rendement, pureté, productivité) ont été étudiées. Une méthodologie, basée sur les équations classiques de bilans de matière et de flux de perméat en DF, a alors été proposée. Cette démarche avait tout d’abord pour but de prédire lesdites performances en prenant en compte la composition complexe du milieu, de culture bactérienne mais aussi de faciliter l’agencement des étapes du procédé de purification. La diafiltration permet de satisfaire les exigences de pureté de la pharmacopée, mais pas les niveaux de certaines molécules (protéines et acides nucléiques). L’étude de l’adsorption de ces molécules sur charbon actif, en fonction de la température, de la force ionique, du pH et du type de charbon actif, a permis d’établir les conditions les plus favorables de l’élimination de ces molécules. Les équations classiques de modélisation des isothermes correspondant le mieux aux résultats expérimentaux ont été sélectionnées et utilisées avec les équations de performance en DF, afin d’associer au mieux ces deux étapes. Enfin, concernant le séchage de l’AH, deux méthodes, l’une par lyophilisation et l’autre par précipitation en solvant organique, ont été comparées. Ces dernières permettent d’obtenir moins de 20 % d’humidité et de conserver les propriétés des molécules d’A