I. INTRODUCTION

Le logiciel pédagogique 'EduSim' permet de simuler différents types de bioprocédés à des fins pédagogiques :

• Fermentation en discontinu (batch)
• Production d'acide organique en discontinu
• Fermentation en continu (chemostat)
• Production d'éthanol en continu
• Production de levure en fed-batch à débit constant
• Production de levure en fed-batch à substrat résiduel
• Production de cellulases en fed-batch à débit constant
• Compétition entre 2 microorganismes en culture continue.

II. VUE GENERALE DU LOGICIEL

La fenêtre principale du logiciel (ci-dessous) est divisée en 4 zones :

• La barre des menus (bandeau supérieur)
• La zone de réglage des paramètres (tableau horizontal situé au-dessous du bandeau supérieur)
• Les représentations graphiques
• Les résultats numériques (tableau vertical situé à droite des graphes)

II.1. Barre des menus

La barre des menus est située dans la partie supérieure de l'interface :


Elle permet de choisir le type de simulation, d'accéder à la nomenclature des variables utilisées dans le logiciel, à la page de saisie du mot de passe (pour dévérouiller certains paramètres) et à cette documentation.

II.2. Paramètres de réglage

Le tableau des paramètres d'entrée réglables par l'utilisateur est positionné horizontalement sous la barre des menus :


La liste des paramètres modifiables diffère en fonction du programme utilisé parmi ceux dans l'introduction. La signification des paramètres listés dans ce tableau est accessible dans la nomenclature.

L'utilisateur peut modifier chaque paramètre à l'aide du clavier, dans certaines limites précisées lors de la saisie.
Lorsque tous les paramètres sont réglés, un clic sur le bouton « Calculer » lance la simulation. Les résultats correspondants apparaissent sous forme de graphes et de grandeurs à l'équilibre ou à la fin de la durée indiquée.

Les paramètres d'entrée dont les valeurs sont différentes de leur valeur par défaut apparaissent sur un fond vert.

II.3. Représentations graphiques

Les résultats des simulations sont donnés sous forme de courbes représentées dans 4 graphes simultanément :


Les grandeurs biologiques représentées sur les graphes sont fonction du type de simulation choisi. Elles concernent principalement les concentrations en biomasse, en substrat et en métabolite produit, ainsi que les vitesses de variation de ces variables. Des grandeurs complémentaires sont également représentées, différentes selon le type de simulation effectuée (taux de croissance, productivité, quantité de biomasse produite).

A chaque simulation est associée une couleur de courbes.

Les courbes sont représentées pour tous les essais effectués pendant la session (une session dure tant qu'un autre menu simulation n'est pas choisi). Il est cependant conseillé de ne pas dépasser 6 simulations successives au cours d'une même session pour ne pas surcharger les représentations graphiques.

Parmi toutes les simulations effectuées, une seule est "active" (les courbes de l'essai actif sont en gras).
Les valeurs instantanées des variables au cours de la simulation active sont visibles au survol de chaque graphe à l'aide de la souris.

II.4. Résultats numériques

Les résultats numériques obtenus à l'issue de chaque simulation sont représentés dans le tableau situé dans la partie droite de l'interface. Chaque colonne correspond à une simulation :


Les premières lignes rappellent les paramètres de réglage utilisés, et les lignes suivantes donnent les valeurs des variables de sortie pour la simulation choisie. Les valeurs des variables calculées sont encadrées de la couleur des courbes correspondantes.

Chaque fois que l'utilisateur clique sur le bouton « Calculer », le logiciel recherche d'abord si la simulation n'a pas déjà été faite avec ce jeu de paramètre. Si oui, le résultat correspondant est sélectionné. Sinon, une nouvelle colonne de résultats apparaît.

L'utilisateur a la possibilité de « sélectionner » une simulation (une seule à la fois) pour la mettre en valeur. Dans ce cas,

• Les valeurs des paramètres d'entrée et des variables calculées sont placées sur fond rouge dans la partie résultats.
• Les courbes correspondantes dans les 4 graphes sont mises en évidence à l'aide d'un trait de crayon plus épais.

III. FONCTIONNEMENT

III.1. Lancement d'une nouvelle simulation

• Choisir le type de simulation souhaité à l'aide de la barre des menus.
• Introduire les valeurs des paramètres souhaités dans le tableau des paramètres de réglage (à l'aide du clavier).
• Lorsque tous les paramètres sont définis, cliquer sur le bouton « Calculer » :

III.2. Modification des paramètres de réglage et comparaison de plusieurs simulations

Afin de tester les effets des valeurs des paramètres de réglage sur les résultats des simulations, il est recommandé de modifier ces paramètres un à un. Chaque nouvelle simulation effectuée, après modification d'un paramètre, provoque l'ajout d'une colonne dans le tableau de la zone « résultats numériques » et de 2 courbes (au maximum) dans chacun des 4 graphes.

Les différences dans les jeux des paramètres de réglage utilisés, par rapport au jeu de paramètres initial, sont rappelées à l'aide de la couleur de fond dans le tableau de résultats :
• Fond vert = différence
• Fond blanc (ou rouge si l'essai est "actif") = pas de différence.

III.3. Exportation des résultats

L'utilisateur peut créer un rapport des simulations effectuées (au format csv) en cliquant sur le bouton « Exporter » situé à droite des paramètres de réglage.



Ce rapport comprend toutes les valeurs des paramètres et des variables situés dans les colonnes du tableau « résultats numériques » ainsi que les tableaux de données relatives aux cinétiques permettant le tracé des courbes.
Chaque ensemble relatif à une simulation apparaît côte à côte.

III.4. Impression des résultats

Il est possible d'imprimer la page ou de conserver une « copie d'écran » pour visualiser rapidement les jeux de paramètres et les résultats associés, en cliquant sur le bouton « Imprimer » situé à droite des paramètres de réglage.

IV. NOMENCLATURE

IV.1 Constantes biologiques (paramètres de réglage)

• K1 : coefficient de production non associée à la croissance (h-1)
• K2 : coefficient de production associée à la croissance (g/g)
• Kd : taux de mortalité (h-1)
• Kip : constante d'inhibition relative au métabolite produit (g/L)
• Kis : constante d'inhibition relative au substrat (g/L)
• Ks : constante de saturation (g/L)
• KsA : constante de saturation de la souche A (g/L)
• KsB : constante de saturation de la souche B (g/L)
• m : taux de maintenance (h-1)
• uM : taux de croissance maximum (h-1)
• uMA : taux de croissance maximum de la souche A (h-1)
• uMB : taux de croissance maximum de la souche B (h-1)
• Yx : coefficient de rendement de croissance (g/g)
• YxA : coefficient de rendement de croissance de la souvhe A (g/g)
• YxB : coefficient de rendement de croissance de la souche B (g/g)

IV.2 Variables opératoires (paramètres de réglage)

• CINT : intervalle de calcul (h)
• D : taux de dilution (h-1)
• F : débit d'alimentation (L/h)
• P0 : concentration initiale en métabolite (g/L)
• S0 : concentration initiale en substrat (g/L)
• Sin : concentration en substrat à l'alimentation (g/L)
• TFIN : valeur de T de fin de simulation (h)
• V0 : volume du bioréacteur à l'instant initial (L)
• Vf : volume du bioréacteur à l'instant TFIN (L)
• X0 : concentration initiale en biomasse (g/L)
• Xin : concentration en biomasse à l'alimentation (g/L)

IV.3 Variables calculées pouvant être affichées dans les résultats numériques

• u : taux de croissance (h-1)
• uA : taux de croissance de la souche A (h-1)
• uB : taux de croissance de la souche B (h-1)
• P : concentration en métabolite (g/L)
• X : concentration en biomasse (g/L)
• XA : concentration en biomasse de la souche A (g/L)
• XB : concentration en biomasse de la souche B (g/L)
• S : concentration en substrat (g/L)
• Pf : concentration en métabolite (g/L) finale ou à l'équilibre
• Xf : concentration en biomasse (g/L) finale ou à l'équilibre
• XfA : concentration en biomasse de la souche A (g/L) finale ou à l'équilibre
• XfB : concentration en biomasse de la souche B (g/L) finale ou à l'équilibre
• Sf : concentration en substrat (g/L) finale ou à l'équilibre
• Pp : Quantité de métabolite produit (g) finale ou à l'équilibre
• Px : Quantité de biomasse produite (g) finale ou à l'équilibre
• PrP : productivité en métabolite (g/L/h)
• PrX : productivité en biomasse (g/L/h)
• qP : taux de production (h-1)
• qS : taux de consommation du substrat (h-1)
• rP : vitesse de production du métabolite (g/L/h)
• rX : vitesse de variation de la concentration en biomasse (g/L/h)
• rXA : vitesse de variation de la concentration en biomasse de la souche A (g/L/h)
• rXB : vitesse de variation de la concentration en biomasse de la souche B (g/L/h)
• rS : vitesse de consommation du substrat (g/L/h)
• V : volume du bioréacteur à l'instant t (L)
• t : temps (h)

IV.4 Valeurs limites des paramètres de réglage