Production de microalgues par un système de production en mode biofilm
Ref: 1SC2293
Description
L'enseignement "Production de microalgues par un système de production en mode biofilm"
est l'un des 4 Enseignements d'Intégration (EI) qui concluent la Séquence Thématique n°2 (ST2) Bioingénierie : Produire, Protéger, Réparer. Il relève plus particulièrement du volet Produire.
Une problématique relevant de la bioproduction à partir du vivant.
Les microalgues sont des usines cellulaires qui convertissent l’énergie lumineuse en énergie chimique tout en consommant du dioxyde de carbone. Diverses molécules à haute valeur ajoutée issues des microalgues, telles que des pigments, acides gras polyinsaturées (oméga 3 et 6), polysaccharides et protéines, présentent un fort intérêt industriel pour des applications variées en pharmaceutique, cosmétique, agro-alimentaire et aquaculture.
Par ailleurs, ils sont caractérisés par de faibles productivités, une forte demande en énergie/eau et des coûts élevés associés aux étapes de production et de récolte. Dans ce contexte, l'intérêt d'utiliser des microalgues immobilisées (culture de microalgues à base de biofilm) a récemment augmenté. La technologie à biofilm se présente comme une alternative prometteuse vis-à-vis des systèmes classiques : des productivités accrues (biomasse algale et molécules d’intérêt) et une dépense énergétique moindre par rapport à celles des cultures en suspension où la biomasse est facilement récoltée par raclage.
L’utilisation des technologies à biofilm est au cœur de l’activité de la société Inalve qui industrialise un procédé pour la production de microalgues, en accord avec une stratégie de développement durable dans ses dimensions sociales, économiques et environnementales.
Cet enseignement d’intégration vise à améliorer le dispositif de production de microalgues mis au point par cette start-up.
L’ objectif est ainsi de développer un modèle multiphysique (thermique et biologique) capable de prédire la productivité du bioprocédé soumis à des variations de flux lumineux et de température. Cet outil de modélisation combiné à la simulation numérique permettra d’optimiser le bioprocédé et enfin de proposer des stratégies nouvelles d’exploitation du bioprocédé.
Modélisation de la productivité du bioprocédé :
La démarche à mettre en place sera la suivante :
En parallèle, un modèle biologique sera développé pour prédire la dynamique de formation du biofilm selon les différentes conditions d’opération du procédé, en particulier en fonction du flux lumineux incident et de la température du biofilm.
2) Les modèles thermiques et biologiques seront combinés. Cela permettra de prévoir l’évolution de la productivité en biomasse algale sur un cycle annuel.
3) La dynamique du procédé sera évaluée de manière « qualitative » (c’est-à-dire en tendance) pour émettre des recommandations de conception et de fonctionnement du dispositif technologique d’Inalve.
Période(s) du cours
ST2
Prérequis
Aucun prérequis
Syllabus
- Présentation du projet par le partenaire industriel
o Recherche bibliographique
- Analyse et formulation du problème
o Identification de l’objectif du modèle (thermique/biologique)
o Identification des données nécessaireso Écriture des équations du modèle (bilans thermiques et massiques)
o Couplage des modèles thermique et biologique
o Programmation
- Implémentation numérique
o Validation du modèle sur des configurations test
o Évaluation de l’impact des changements des conditions opératoires du procédé sur la productivité.
- Étude paramétrique
o Rédaction du rapport et présentation orale.
- Présentation du livrable
Composition du cours
« Production de microalgues par un système de production en mode biofilm» est une activité pédagogique de type Problem solving. Elle permet de se confronter au caractère multiphysique (transfert thermique ; biologie) d’un problème industriel, en mettant en œuvre les concepts introduits dans les cours de base de la ST2 Bioingénierie et dans les cours communs de mathématiques et d'informatique. Enfin l’élève est dans la posture d’un jeune ingénieur qui doit réaliser un rapport technique et présenter ses travaux à des experts et à un partenaire industriel dans un contexte de production industrielle.
Des points d'avancement seront réalisés quotidiennement : présentation de l’état d’avancement du projet par chaque équipe, discussion des résultats, apport méthodologique. La semaine se termine par une séance de restitution le vendredi après-midi en présence du client industriel.
Ressources
- Équipe enseignante : F. Lopes (PR, CS, Département MEP, LGPM), O. Bernard (DR, Equipe Biocore de l’INRIA), intervenant (Société inalve)
- Taille de l'effectif : 24 à 28
- Outils logiciels et nombre de licence nécessaire : Sypder-Python (logiciel libre).
Résultats de l'apprentissage couverts par le cours
A l’issue du cours, les étudiants seront capables de :
2. Choisir l’échelle la plus pertinente pour résoudre le problème posé ;
3. Discriminer et conserver les phénomènes prépondérants ;
4. Réduire de façon pertinente les dimensions et la complexité d'un problème ;
5. Établir un modèle multiphysique en agrégeant des connaissances provenant de champs disciplinaires différents (biologie, science des transferts, génie des procédés);
6. Implémenter numériquement un modèle mathématique ;
7. Avoir un regard critique sur un modèle et ses limitations;
8. Présenter de façon structurée et argumentée une démarche de modélisation.
Support de cours, bibliographie
Le polycopié de cours en Transfert Thermique et des articles scientifiques seront fournis lors du cours.