Modélisation des transferts couplés en milieux poreux
Transcription
Modélisation des transferts couplés en milieux poreux
Développement et modélisation de procédés innovants de production de métabolites à partir de microalgues immobilisées Les microalgues sont des usines cellulaires qui convertissent l’énergie lumineuse en énergie chimique tout en consommant du dioxyde de carbone ; elles sont actuellement cultivées à des fins alimentaires, ou pour en extraire des molécules à haute valeur ajoutée destinées aux marchés de la cosmétique, de l’alimentation et de la santé. Leur capacité à consommer le CO2 et à accumuler des lipides convertibles en biocarburant suscite un fort intérêt dans l’idée de produire un biodiesel avec un impact environnemental réduit. Les microalgues suscitent actuellement un vif engouement et des industriels de différents secteurs investissent ce créneau. Néanmoins, il reste des verrous technologiques à lever afin d’améliorer les systèmes de production de microalgues, en les rendant économiquement plus compétitifs. L’utilisation des systèmes immobilisés de microalgues (biofilms) permet de lever certains de ces verrous et promet des productivités accrues pour une moindre consommation énergétique. Un biofilm est un assemblage de microorganismes associés à des surfaces, insérés dans une matrice de polymères extracellulaires, composée de polysaccharides, ainsi que de protéines et d’acides nucléiques. Les avantages des systèmes à biofilms de microalgues sont, entre autres, d’obtenir une concentration importante de biomasse facilement récoltable. Cela permet donc de réduire considérablement le coût de la récolte, qui peut être réalisée par raclage, ou par récupération du métabolite en fonction de sa densité par rapport à l’eau. L’objectif de cette thèse est de proposer et de dimensionner un système alternatif de culture industriel de microalgues, sous forme de biofilm, à des fins de production de lipides énergétiques et/ou de molécules à haute valeur ajoutée. Des approches complémentaires d’expérimentation et de modélisation seront mises en œuvre. Principales étapes de la thèse : - - - Identification et test du matériau de support pour favoriser l’adhésion des microalgues et la formation du biofilm. Etude expérimentale de la dynamique de formation et d’activité du biofilm. L’objectif est de comprendre, en fonction de divers paramètres physicochimiques, ces effets sur la productivité du réacteur en termes de biomasse et de production de lipides et/ou molécules d’intérêt. Le candidat caractérisera la diffusion des espèces dans le biofilm et la propagation de la lumière, en fonction des propriétés telles que l'épaisseur du biofilm, sa structure, son état physiologique et son activité. La caractérisation de la structure et de l’activité du biofilm sera, entre autres, réalisée à l’aide des outils de microscopie (microscopie électronique laser confocale, CLSM, et microscopie optique). Mise au point et calibration d’un modèle de formation de biofilm. Le modèle sera développé dans l'optique de pouvoir être calibré à partir de données expérimentales, pour aider au design et à la supervision en lignes de procédés industriels. Identification des conditions optimales de productivité de biomasse et de métabolites, et validation de l’intérêt de ce système alternatif de culture de microalgues pour la production de biocarburants et/ou de molécules d’intérêt. Directeur de thèse : Dominique Pareau, Professeur, LGPM, ECP Co-Directeur de thèse : Olivier Bernard, Directeur de Recherche, INRIA Co-encadrant : Filipa Lopes, Enseignant-chercheur (Chef de Travaux), LGPM, ECP Profil du candidat : Issu d’une école d’ingénieur généraliste ou équivalent, avec une solide formation en mathématiques appliquées (modélisation, équations différentielles, équations aux dérivées partielles), le candidat devra avoir des notions de microbiologie. Laboratoire d’accueil : Laboratoire de Génie des Procédés et Matériaux de l’Ecole Centrale Paris. Fréquents déplacements dans l’équipe BIOCORE à l’INRIA Sophia-Antipolis. Candidature : Envoyer un CV et une lettre de motivation aux adresses : [email protected] [email protected] [email protected] Références bibliographiques : Cadoret, J-P et Bernard, O. (2008). La production de biocarburant lipidique avec des microalgues : promesses et defis. Journal de la Société de Biologie, 202(3) : 201-211. Chisti, Y. (2007). Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances, 25 : 294-306. Christenson, L. B. and Sims, R. C. Rotating algal biofilm reactor and spool harvester for wastewater treatment with biofuels by-products. 2012 Biotechnol. Bioeng., 109: 1674–1684. Christenson, L. et Sims, R (2011). Production and harvesting of microalgae for wastewater treatment, biofuels and bioproducts. Biotechnology Advances, 29 ; 686-702. Flora, J. R., Suidan, M. T., Biswas, P., & Sayles, G. D. (1995). Modeling algal biofilms: Role of carbon, light, cell surface charge, and ionic species. Water Environment Research, 87-94. Luz E. de Bashan, Yoav Bashan, Immobilized microalgae for removing pollutants: Review of practical aspects, Bioresource Technology, Volume 101, Issue 6, March 2010, Pages 1611-1627, ISSN 0960-8524, 10.1016/j.biortech.2009.09.043. Posten, C. (2009). Design principles of photo-bioreactors for cultivation of microalgae. Eng. Life Sci. 9(3) : 165-177 Raul Muñoz, Claudia Köllner, Benoit Guieysse, Biofilm photobioreactors for the treatment of industrial wastewaters, Journal of Hazardous Materials, Volume 161, Issue 1, 15 January 2009, Pages 29-34 Vazquez-Burney, R., Boltz, J. P., Johnson, B. R., Daigger, G. T., & Bays, J. (2009). Variables, Processes, and Rate-Expressions Describing Periphytic Algae-Based Biofilms: Development of the Algae Biofilm Model (ABM). Proceedings of the Water Environment Federation, 2009(17), 415-429. Zeng X, Danquah M. K, Halim R, Yang S, Chen X. D, Lu Y. Comparative physicochemical analysis of suspended and immobilized cultivation of Chlorella sp. Journal of Chemical Technology and Biotechnology. Volume 88, Issue 2, pages 247–254, February 2013