The present study focuses on the development of a two-stage, self-cycling process for the production of bacteriophages, viruses which use bacteria as host. The first stage, operating as a selfcycling fermentation (SCF) is used to grow and synchronize the host population. The synchronized host population is passed to the second stage, operated as a self-cycling infection (SCI), where the infection and phage production occurs. Both stages are automated and they are decoupled from one another. Escherichia coli and bacteriophage T4 were used as a model host/virulent phage system for the development of this process.

From the initial experiments with E.coli, it was found that the SCF could be efficiently and reliably operated using the derivation of carbon dioxide evolution rate (CER) as the control parameter. A significant level of synchronization was obtained after 3 cycles. It was found that synchronization led to a slower cell metabolism and that cell division occurred in the middle of the SCF cycle. These facts were surprising as they differed from observations made in previous SCF synchronization studies performed with other microorganisms.

Experiments were conducted to determine an appropriate control parameter for the second stage of the system - the SCI. CER and CER-derived data proved to be not only well-behaved parameters for the control strategy, but also provided information on the dynamics of infection throughout the infection process. Five events in the host and phage populations (most notably the onsets of lysis inhibition and of population-wide lysis) were easily identified by features in the CER and CER-derived data.

The effects of varying the initial multiplicity of infection (MOI) on both the CER trend and the production of phages were evaluated to determine the optimal conditions to be used for infection in the SCI stage. The CER trends proved to be reliable for a wide range of initial MOIs although the magnitude of the individual values decreased with increasing initial MOI. It was also shown that the integral of the CER data could be used, in real-time, to provide a rapid approximation of the final phage titer.

The feasibility and potential of the SCF/SCI system were demonstrated. The system led to consistent final phage titers that were comparable to those obtained in batch infections initiated with the same conditions (temperature, medium, initial MOI, etc.). It was also shown that the cycling operation could reduce the ratio of downtime to production time relative to a normal batch infection. The product quality was consistently good and the phages obtained from different cycles retained the same level of infectivity. Synchronization of the host grown in the SCF led to an increase in specific productivity (phages per cell per hour) while the system retained the same volumetric productivity (phages per volume). These results were used to show that the SCF/SCI system has significant potential for the reduction of costs associated with not only upstream (production) but also downstream (recovery) processing.

La présente étude visait le développement d`un procédé auto-cyclant à deux étapes pour la production de bactériophages, des virus ayant pour hôte des bactéries. La première étape, effectuée en fermentation auto-cyclante (SCF), est utilisée pour la croissance et la synchronisation des cellules hôtes. La population d`hôtes synchronisés est ensuite dirigée dans la deuxième étape pour être infectée. Cette étape est effectuée en infection auto-cyclante (SCI), où la production du phage a lieu. Les deux étapes sont automatisées et leur contrôle est découplé. La bactérie Escherichia coli et le phage T4 furent utilisés comme modèle hôte/phage virulent pour le développement du procédé.

L`impact de la SCF sur les populations d`E. coli a été étudié. Il a été démontré que la SCF pouvait être opérée efficacement et de façon fiable lorsque la dérivée du taux d`évolution du dioxyde de carbone (CER) était utilisée comme paramètre de contrôle. Un niveau de synchronisation significatif fut obtenu après trois cycles. Il a été établi que la synchronisation menait à un ralentissement du métabolisme cellulaire et que la division cellulaire avait lieu au milieu des cycles de SCF. Ces faits étaient étonnants puisqu`ils différaient des observations obtenues lors d`études de SCF faites antérieurement avec d`autres micro-organismes.

Des expériences ont été réalisées dans le but d`identifier un paramètre de contrôle approprié pour la deuxième étape du procédé (SCI). Il a été démontré que le CER et sa dérivée étaient, non seulement des paramètres bien définis, mais aussi qu`ils pouvaient fournir de l`information importante sur la dynamique d`une infection. Cinq événements liés aux populations d`hôtes et de virus (entre autres, le début de l`inhibition de la lyse et le début de la lyse de l`ensemble de la population d`hôtes) pouvaient être facilement identifiés grâce à des particularités dans les données du CER et de sa dérivée.

Les effets de la variation de la multiplicité d`infection (MOI) initiale sur les tendances du CER et sur la production de phages ont été étudiés dans le but d`obtenir les conditions optimales devant être utilisées lors des infections de la SCI. Les tendances du CER étaient similaires pour une large gamme de MOI initiales testées. Par contre, la magnitude de ces tendances diminuait avec une augmentation de la MOI initiale. Il a aussi été démontré que l`intégrale des données du CER pouvait être utilisée pour obtenir une approximation en temps réel du titrage final de phages.

La faisabilité et le potentiel du procédé SCF/SCI furent démontrés. Le système permettait une production de phages à des concentrations constantes. Ces concentrations étaient comparables à celles obtenues dans des infections batch effectuées dans les mêmes conditions (température, médium, MOI initiale, etc.). Il a aussi été démontré qu`en comparaison avec des infections batch, l`opération cyclique réduisait le ratio de temps mort (préparation, nettoyage, etc.) par rapport au temps de production. La qualité du produit était constante entre les cycles:​ les phages obtenus de cycles différents avaient la même infectiosité. Par ailleurs, la synchronisation des cellules hôtes dans la SCF ne changeait pas la productivité volumétrique (phages par unité de volume) mais menait à une augmentation de la productivité spécifique (phages par cellule par heure) dans la seconde étape (SCI). Ces résultats démontrent que le procédé SCF/SCI possède un potentiel intéressant pour la réduction des coûts associés non seulement à la production, mais aussi à la purification des phages.