PhD offer : Simulation multiphysique du fonctionnement de PBRs de type airlift en vue d’une meilleure compréhention des couplages hydrodynamiques / biologiques
Sujet : Simulation multiphysique du fonctionnement de photobioréacteurs de type airlift en vue d’une meilleure compréhension des couplages entre les phénomènes hydrodynamiques et biologiques et de leur extrapolation
Spécialité du doctorat : Génie des Procédés et Bioprocédés
Université : Université de Nantes
Ecole doctorale : Ecole Doctorale Sciences pour l’Ingénieur (SPI)
Encadrement : Caroline Gentric (Professeur, GEPEA, Université de Nantes), Walid Blel (Maître de Conférences, GEPEA, Université de Nantes).
Laboratoire d’accueil : GEPEA, UMR 6144 (Laboratoire de Génie des procédés – environnement – agro-alimentaire)
Financement : MESRI
Contact : caroline.gentric@univ-nantes.fr
Les applications des photobioréacteurs (PBRs) destinés à la culture de microalgues ou de cyanobactéries sont variées et prometteuses : production de biocarburants et aussi de produits à haute valeur ajoutée pour les industries pharmaceutiques, cosmétiques ou alimentaires, capture de CO2, traitement de l’eau… Ces microalgues peuvent être cultivées dans diverses technologies, allant des systèmes ouverts, tels que les étangs naturels ou les bassins de type « raceway », aux photobioréacteurs fermés (PBRs). Ces derniers sont plus chers à opérer mais permettent un meilleur contrôle des conditions de croissance, une utilisation plus efficace de la lumière et du CO2, un meilleur mélange, ainsi qu’un confinement de la culture qui minimise les risques de contamination. Par conséquent, une productivité en biomasse plus élevée y est obtenue. De nombreuses avancées ont été obtenues ces dernières années sur l’ingénierie des PBRs. Toutefois, des progrès technologiques restent nécessaires pour améliorer la productivité, réduire les coûts de production, l’impact sur l’environnement et augmenter leur efficacité énergétique.
En particulier, il est indispensable que l’hydrodynamique garantisse un mélange et un transfert de matière suffisants pour assurer une exposition régulière des microorganismes aux zones éclairées, éviter la limitation en nutriments, notamment en carbone inorganique, ainsi qu’une inhibition due à une concentration locale trop élevée en O2. Cette bonne capacité de mélange et de transfert ne doit toutefois pas se traduire par des conditions de stress hydrodynamique pour les cellules. Ces conditions sont aisément atteintes en réacteur de laboratoire où il est facile d’obtenir un mélange parfait mais peuvent devenir problématiques lors de l’extrapolation à l’échelle de la production et limiter la productivité.
Cette étude vise à proposer un modèle « multiphysique » du fonctionnement d’un photobioréacteur intégrant les nombreux phénomènes couplés qui conditionnent ses performances : hydrodynamique di- voire tri-phasique, transfert radiatif, transfert gaz-liquide et transport du CO2 apporté et de l’O2 produit, cinétiques de dissociation du CO2 en phase liquide, cinétiques de consommation des nutriments. Les effets de la lumière, de la concentration en carbone inorganique, en oxygène dissous, du pH et des contraintes de cisaillement seront intégrés aux modèles biologiques. Les aspects hydrodynamique, transfert gaz-liquide et biologie de ce modèle seront validés expérimentalement, de manière globale et/ou locale. Ce modèle complet doit permettre une investigation et une meilleure compréhension des couplages entre ces phénomènes complexes. Il sera ensuite utilisé pour une recherche de design (géométrie, type d’injecteur de gaz, taille des bulles injectées…) et de conditions de fonctionnement (débit de gaz, composition du gaz…) optimisés, c’est-à-dire conduisant à une productivité maximale, tout en minimisant les pertes en carbone inorganique et la consommation énergétique, en particulier à l’échelle industrielle où la présence d’hétérogénéités est susceptible de réduire les performances. Cette approche permettra d’avoir des informations statistiques précieuses sur les fluctuations de l’environnement extracellulaire des microorganismes, sur l’historique des régimes métaboliques rencontrés et ainsi de guider à l’avenir le développement d’expériences et de modèles de type « scale-down ».
Cette étude sera réalisée en plusieurs étapes.
- Une approche Euler-Euler permettra de représenter l’hydrodynamique des deux phases liquide et gaz, les microalgues étant supposées suivre l’écoulement liquide. Ces simulations de l’écoulement seront validées à l’aide de mesures locales (PIV, ombroscopie) et globales (rétention gazeuse, temps de mélange) sur un PBR airlift de taille pilote (volume de quelques dizaines de litres) à même de mettre en évidence de possibles hétérogénéités spatiales.
- L’hydrodynamique sera ensuite couplée aux équations de transport de l’oxygène, du dioxyde de carbone et des espèces dissoutes résultant de la dissociation de ce dernier (HCO3-, CO32-, H+). Cette étape sera validée expérimentalement par des mesures globales de kLa (méthode de désoxygénation – réoxygénation), des mesures locales de concentration en O2 dissous par sonde O2, de pH par sonde pH et éventuellement de CO2 dissous.
- La culture sera ensuite simulée : dans les équations de transport de la biomasse et des nutriments, des termes sources permettront de rendre compte des effets des conditions locales de lumière, de concentration en carbone inorganique et en oxygène, mais aussi du pH et du stress hydrodynamique. Cette étape sera également validée par des expériences de culture contrôlées.
- Le modèle développé sera utilisé à des fins d’expérimentation numérique : optimisation du design et des conditions opératoires.
- Un autre point important de cette thèse sera la trajectographie numérique. La trajectoire des micro-algues sera étudiée numériquement par suivi Lagrangien. Les simulations seront validées par des expériences de trajectographie optique.
Profil recherché
Des connaissances en génie des (bio-)procédés et en hydrodynamique sont nécessaires pour mener à bien ce sujet. Un fort attrait pour les méthodes expérimentales et le numérique est également indispensable. Des connaissances en mécanique des fluides numérique ainsi qu’une première expérience en termes de mise en oeuvre de mesures expérimentales de vitesse seraient appréciées.
Le(a) candidat(e) devra faire preuve d’autonomie et présenter un esprit d’initiative marqué. Le(a) candidat(e) justifiera des connaissances théoriques et/ou pratiques lui permettant de mettre en oeuvre les expériences de laboratoire et les simulations numériques relatives au projet :
– développer et rédiger des protocoles expérimentaux,
– rendre-compte des résultats et des observations, tenir un cahier de laboratoire,
– analyser et interpréter les résultats,
– mettre en forme les résultats et rédiger des rapports et publications scientifiques,
– présenter ses résultats en réunion d’équipe.
Une bonne maîtrise des langues française et anglaise est indispensable.
