Soutenance prévue le 29 Juin à 14h en salle 401-TBI,
“Performances techniques et environnementales d’un photo-bioréacteur solaire pour la production de la Spiruline fraiche”
Encadrée par
Ligia BARNA et Pascal GUIRAUD
Le jury est composé de
- M. Jean-Philippe STEYER, INRAE Narbonne, Rapporteur
- M. Jérémy PRUVOST, GEPEA – Université de Nantes, Rapporteur
- M. Eric CLIMENT, IMFT Toulouse, Examinateur
- M. Régis OLIVES, PROMES- Université de Perpignan, Examinateur
- M. Aras AHMADI, TBI- INSA Toulouse, Invité
- M. Jérôme MORCHAIN, TBI- INSA Toulouse, Invité
- Mme Ligia BARNA, TBI- INSA Toulouse, Directrice de thèse
- M. Pascal GUIRAUD, TBI -INSA Toulouse, Directeur de thèse
Résumé
Les cultures de microalgues et cyanobactéries sont des processus de production prometteurs
pour une large gamme de produits biosourcés d’intérêt, impliqués dans les domaines de
l’énergie, pharmaceutique, cosmétique, et de la nutrition humaine et animale. Les processus de
production de microalgues nécessitent de l’eau, des nutriments, de la lumière pour la
croissance des cellules, et de l’énergie pour le contrôle thermique et le mélange. Quel qu’il soit
le domaine d’application, la prédiction des performances de l’ensemble de la filière de
production reste un défi en raison du manque de modèles appropriés pour chaque opération
unitaire impliquée. En effet, le nombre de paramètres à prendre en compte pour l’évaluation
la plus réaliste de ce processus est important. Pour les même raisons, l’optimisation de ces
paramètres dans l’idée d’atteindre les meilleures performances est loin d’être réalisée.
L’objectif de ce travail de thèse est de développer un outil capable de simuler la production de
la Spiruline fraîche dans un photobioréacteur tubulaire fonctionnant le long d’une année, en
tenant compte des paramètres de conception et des facteurs environnementaux dynamiques
comme la température et la lumière solaire qui fluctuent dans le temps et selon la position
géographique du système. Le but final est d’évaluer les performances techniques et
environnementales de l’ensemble du processus de production.
Les performances d’un tel système dépendent fortement, d’un point de vue macroscopique,
d’un principal facteur qui est l’énergie solaire, par conséquent, il est nécessaire d’estimer
correctement les bilans énergétiques de ce système. Dans ce contexte multiphysique, une
approche locale basée sur la méthode de Monte Carlo a été utilisée permettant de capturer
l’hétérogénéité du photobioréacteur en termes de distribution spatiale de la lumière. À l’échelle
de la cellule, des informations sur la quantité réelle de lumière perçue individuellement et par
l’ensemble de la population, ont été générées utilisant un modèle de suivi de particules tenant
compte de l’hydrodynamique locale. La réponse des cellules a été décrite par un modèle
dynamique de croissance biologique permettant l’estimation du taux de croissance réel relatif
à l’énergie lumineuse collectée par le photobioréacteur.
L’interaction entre la biomasse et son milieu de culture a été également considérée à travers
l’utilisation de modèles cinétiques, permettant de rendre compte de l’influence des substrats
nutritifs sur la cinétique de croissance et donc sur les performances du système. En effet,
l’évolution du milieu de culture au regard de la consommation des nutriments et la réaction
entre les composés chimique a été mise en évidence en se basant sur les équations
stœchiométrique et chimiques des espèces présentes. Quant à la température, le deuxième
facteur fondamental de la croissance, un modèle thermique a été développé pour estimer son
évolution dans le PBR avec et sans l’ajout d’une serre et en fonction des paramètres statiques
tels que la localisation et la géométrie, et les conditions météorologiques. À l’appui des
différents bilans d’énergie et les principaux transferts de chaleur ayant lieu entre le système
et son environnement, ce modèle évalue les besoins énergétiques à fournir et les piste de
gestion thermique éventuelles pour maintenir la température dans la plage de fonctionnement.
Pour une ambition finale d’évaluer la faisabilité technique, les coûts énergétiques et
environnementaux, un couplage entre les résultats de ces modèles et la méthode de l’analyse
du cycle de vie a été réalisé. Ceci permet ouvrir la voie à une optimisation du procédé de
production par une approche d’éco-conception.
Mots clés : Spiruline, Photobioréacteur Solaire, Simulations, Modèle thermique,
Performances, ACV.
