Quelle est la solubilité du dioxygène dans l’eau ?

1. Solubilité à saturation du dioxygène dans les milieux de culture, loi de Henry. Solubilisation lente du dioxygène

[O2] dissous peut être un élément critique limitant dans un procédé aérobie.

De nombreuses cultures de microorganismes réalisées à des fins de productions biotechnologiques concernent des germes de type aérobie qui consomment donc du dioxygène (O2 est l'accepteur terminal des électrons du métabolisme énergétique respiratoire).

O2 est peu soluble dans les milieux aqueux et la concentration en O2 dissous peut être un élément critique limitant dans un procédé. Pour illustrer simplement, on peut, par exemple, rappeler et appliquer le modèle de limitation de la vitesse spécifique de croissance de Monod à O2 :

Un ordre de grandeur pour K50 : 10-5 mol/L. Donc en admettant qu'à partir de 10 fois K50 le dioxygène ne sera plus limitant, on obtient des valeurs critiques de concentration en dioxygène dissous vers 10-4 mol/L soit de l'ordre de 5% à 50% de saturation - selon les espèces - sous aération par l'atmosphère terrestre vers 30 °C. (Voir le tableau de solubilité ci-dessous pour vérifier).

La solubilité du dioxygène dans une solution aqueuse suit la loi de Henry.

Voici la loi de Henry :
A l'équilibre (on dit aussi à saturation), il existe une relation de proportionalité entre la pression partielle (Pi) d'un soluté volatile (dans notre cas O2) et la fraction molaire (xi) de celui-ci dans la solution. (Relation valable aux faibles concentrations en soluté volatile, ce qui sera toujours le cas pour O2 peu soluble). Soit sous forme mathématique : Pi = xi . Ki.    Avec Ki coefficient qui dépend du soluté, du solvant, de la température (en Pa-1).

De façon plus pratique, en biologie, on utilise presque toujours une forme dérivée faisant intervenir la concentration du gaz dissous à saturation :
c*i = KH,cp * Pi

Pi : pression partielle du gaz i dans l'atmosphère gazeuse ; c*i : concentration en gaz dissous i à l'équilibre (saturation) ; KH,cp : coefficient de Henry pour le gaz dissous considéré et le liquide considéré à la température de travail (KH,cp, en mol.L-1.Pa-1)

Voici ce que donne la loi de Henry appliquée à O2 et à l'eau pure.

La solubilité du dioxygène diminue avec l'ajout d'électrolytes, de glucides ... dans l'eau. Donc la solubilité dans les milieux de culture est plus faible que dans l'eau. Le tableau ci-dessus montre bien la diminution de solubilité avec la température ! Remarque : on notera l'insolubilité à ébullition : Un milieu après ébullition ou au sortir d'un autoclavage est désoxygéné !

La faible solubilité de O2 et les valeurs de concentration critique en dioxygène de l'ordre de 5 à 50% de saturation impliquent d'assurer un apport permanent d'O2 dans les bioréacteurs à process aérobie.

Par suite de la faible solubilité de O2 dans les milieux de culture et de sa consommation par les microorganismes, le maintien d'une concentration suffisante en O2 exige un apport permanent par une alimentation en air ou en un gaz contenant de l'O2.

Pour que l'apport continu en dioxygène soit efficace, il faut que le transfert du dioxygène depuis le gaz d'alimentation vers sa forme dissoute dans le milieu soit rapide.

Et, malheureusement, le dioxygène ne se solubilise que lentement !
La capacité à transférer de l'O2 dans le milieu de culture dépend d'un grand nombre de paramètres de fonctionnement, notamment le débit d'aération, la géométrie du réacteur, la structure du système d'agitation (et sa vitesse de rotation), la température et la nature du milieu de culture...

La capacité à transférer de l'O2 dans un milieu de culture en bioréacteur (en quantité d'O2 de par unité de volume et par unité de temps) va souvent se comporter en point critique limitant pour un process aérobie.
Le coefficient de transfert volumétrique (KLa, en temps-1) permet de chiffrer la capacité qu'on a à oxygéner un milieu de culture en bioréacteur dans des conditions données.

C'est le sujet des paragraphes qui suivent !

Est

Comment calculer la solubilité du dioxygène dans leau ?

Comment la solubilité du dioxygène dans l'eau dépend de la température ?

Quelle est la valeur de la solubilité du dioxygène dans l'eau à 20 degrés ?