Modélisation multi-échelle de la culture de microalgues

Multi-scale modelling of micro-algae culture

• Auteur / Autrice : Vincent Gernigon
• Direction : Pascal Guiraud, Jérôme Morchain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 24/01/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering - Toulouse Biotechnology Institute / TBI
• Jury : Président / Présidente : Ligia Barna
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Guiraud, Jérôme Morchain, Jérémy Pruvost, Éric Olmos, Maeva Subileau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérémy Pruvost, Éric Olmos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Mots clés libres

Hydrodynamique

Bioprocédés

Microalgues

Modélisation

Mélange

Micro-Algae

Bioprocess

Hydrodynamic

Modelling

Mixing

Résumé

S'inscrivant au sein du projet PLAISIR qui vise à la commercialisation d'outils de production de microalgues alimentaires, l'objectif du présent travail est d'aider à la conception et au dimensionnement de ces outils de production : les photobioréacteurs. Pour cela, on procède à la modélisation du comportement de la phase biologique et des propriétés du réacteur afin d'être capable de simuler la croissance de la biomasse. Le travail de décompose en deux parties. La première cherche à mettre en évidence les aspects du procédé ayant un impact sur la cinétique de croissance, puis à les quantifier. On s'appuie en premier lieu sur la littérature, puis sur plusieurs campagnes expérimentales dans le but d'affiner les connaissances aux cas particulier de notre souche (Arthrospira Platensis alias Spiruline). La seconde étape consiste, pour un procédé donné (i.e. réacteur + protocole), à déterminer les conditions réactionnelles correspondantes et ainsi pouvoir utiliser les modèles cinétiques établis précédemment. La plus-value de la démarche se trouve sur deux niveaux. La première se situe dans l'approche multi-échelle des phénomènes, à savoir que l'on se place ici à l'échelle de la cellule, tant pour l'écriture des cinétiques de croissance que pour les conditions réactionnelles. Une telle approche permet de prendre en compte l'impact du réacteur lui-même, notamment due aux hétérogénéités locales qu'il contient. On améliore ainsi l'acquitté des simulations, en particulier face aux changements d'échelles : du laboratoire vers la production. L'autre aspect important, est de se placer dans un contexte multiphysique ou les différents phénomènes sont fortement couplés. L'étude tente donc de rendre compte des conséquences des paramètres opératoires en interactions, plutôt que considérés individuellement. Le travail s'est alors déroulé autours deux thématiques : l'étude de l'évolution de la composition du milieu d'un côté et l'étude l'exposition à la lumière de l'autre. Et met alors en évidence que l'écriture de la seule consommation des nutriments par la biomasse ne permet pas de décrire certains résultats sans y ajouter les équations propres aux réactions entre les constituants du milieu lui-même. Il est aussi proposé un modèle et une méthode pour décrire comment le mélange dans le photobioréacteur joue sur la croissance des microalgues via l'éclairement du volume réactionnel. A partir de quoi sont tirées des euristiques pour optimiser le procédé à travers ces trois points (milieu de culture, mélange et éclairement).

In the frame of the PLAISIR project, which is aiming at the commercialization of alimentary microalgae production devices, the objective of the present work is to improve the design of this production devices, named photobioreactors. We proceed to the modelitasion of the biological phase and of the properties of the reactor in order to simulate the biological growth. It is a two steps work. Firstly, it is about to highlight which ones of the process parameters that have an impact on the growth kinetic, then quantify them. It rely on a bibliographic study and after that on several experimental campaigns to refine the knowledge to the peculiar case of our strain (Arthrospira Platensis aka. Spirulina). The second step consist in the calculation reactional conditions in given process, and so enable the use of the previously determined kinetic models. This work benefit from a two-level added value. The first one is the multi-scale approach of the phenomena; this is to say that we write both the kinetic and the reactional conditions at the cell-scale. Such an approach enables to take into account the effect of the reactor itself, for instance thanks to the local heterogeneities it contains. We so improve the accuracy of the resulting simulations, especially in front of different reactor scales (laboratory one, vs. production one). The other aspect is to considerate the issue on a multi-physic way, because all the phenomena are strongly coupled each-others. The work is thus trying to depict the impact of the gathered parameters rather than to the same ones taken separately. The study then focuses on two topics: the evolution of the composition of the culture medium and the biomass exposition to the light. It is shown that the mere consumption of the nutrient by the biomass is insufficient to predict all the results without the addition of the inter-components chemical reactions. It is also proposed a methodology to describe how the mixing impact of the growth speed through the lighting of the vessel. Finally, some heuristics are deduced to optimize the process through this three points, namely: culture medium, mixing and lighting.