Rhéologie et hydrodynamique des co-cultures d'algues et de cyanobactéries

Topic description Les microalgues et les cyanobactéries se trouvent à la croisée des chemins entre la durabilité et la biotechnologie, offrant une opportunité unique de capturer le CO₂ tout en permettant de valoriser la biomasse et/ou les biomolécules produites 1. La biotechnologie des algues connaît une expansion rapide (marché mondial estimé à 48 milliards de dollars en – Source : GrandViewResearch), avec de nombreux domaines d'application (biocarburants, pigments, cosmétiques, agriculture, alimentation, pharmacie, production d'hydrogène). Des défis majeurs subsistent toutefois pour soutenir la croissance et l'impact de cette industrie. Il s'agit notamment de développer à grande échelle des opérations de culture durables, de les rendre viables en tant que technologies CCUS efficaces, et d'assurer un rendement élevé et une production de biomasse en grand volume 2. Cela revient en fin de compte à une meilleure compréhension scientifique1) de la physico-chimie des concentrations élevées de biomasse et de molécules actives, qui rend les suspensionsnon newtoniennes3, 4, 5 ;2) des grands volumes et des échelles d'écoulement, qui entraînent desprocessus d'écoulement chaotiques et/ou turbulents;3) des opérations de mélangeet de transfert de masse optimisées et efficaces, qui nécessitent desstratégies efficaces d'intensification du transfert. Les co-cultures de microalgues et de cyanobactéries incarnent parfaitement ces trois défis. Elles présentent un grand potentiel synergique pour une croissance efficace et productive des espèces combinées 6. Mais en même temps, ces systèmes présentent une rhéologie non newtonienne complexe 3, 7 où les interactions microscopiques entre les cellules et les substances extracellulaires régissent l'hydrodynamique macroscopique et, en fin de compte, les performances du processus. Réunissant la dynamique des fluides complexe et la biotechnologie algale, ce projet vise à élucider les mécanismesrhéologiquesethydrodynamiquescouplés qui sous-tendent les co-cultures de microalgues et de cyanobactéries, afin d'établir en fin de compte des relations prédictives entre la composition biologique, la stabilité de l'écoulement et l'efficacité du transfertdans des conditions de culture contrôlées. S'appuyant sur les premières conclusions récentes de l'équipe de supervision 3 et sur des approches expérimentales originales, la recherche développera des cadres expérimentaux et de modélisation avancés pour caractériser et contrôler ces effets, en combinant larhéométrie de précision3, 4, 5, 8, l'imagerie de flux à haute résolution (PIV,LIF) 9, 10 et l'analyse hydrodynamique 9, 11 dans des systèmes multiphases 9, 12, 13 afin de quantifier le rôle de la biologie dans la rhéologie et le comportement des écoulements. Mené conjointement par l'IMT Nord Europe et son nouveau partenaire clé, l'Université de technologie de Sydney (UTS), le projet fera le lien entre la rhéophysique fondamentale et l'ingénierie des bioprocédés, en identifiant comment les instabilités contrôlées et le mélange chaotique peuvent améliorer la productivité et l'efficacité énergétique des photobioréacteurs. Ses résultats contribueront directement à la conception de systèmes de culture d'algues à haute densité et à faible consommation d'énergie, faisant progresser à la fois la compréhension fondamentale des fluides complexes et le développement de biotechnologies à faible émission de carbone alignées sur les objectifs mondiaux de durabilité (principalement les ODD n° 9 et 12, avec des ramifications vers les ODD n° 2, 6 et 7, et un impact à long terme sur l'ODD n° 13, la trajectoire climatique de l'UE pour ). 1 M. I. Khan, J. H. Shin, and J. D. Kim, “The promising future of microalgae: current status, challenges, and optimization of a sustainable and renewable industry for biofuels, feed, and other products,” Microb Cell Fact, vol. 17, no. 1, p. 36, Mar., doi: 10./sx. 2 M. A. Borowitzka and A. Vonshak, “Scaling up microalgal cultures to commercial scale,” European Journal of Phycology, vol. 52, no. 4, pp. –, Oct., doi: 10./ 3 C. Button et al., “Rheological characterization and modeling of freshwater and marine microalgae and cyanobacteria mixed cultures,” Algal Research, vol. 88, p., Mar., doi:10./j.algal 4 A. Souliès, J. Pruvost, J. Legrand, C. Castelain, and T. I. Burghelea, “Rheological properties of suspensions of the green microalga Chlorella vulgaris at various volume fractions,” Rheol Acta, vol. 52, no. 6, pp. –, Jun., doi: 10./sz. 5 N. Cagney, T. Zhang, R. Bransgrove, M. J. Allen, and S. Balabani, “Effects of cell motility and morphology on the rheology of algae suspensions,” Journal of Applied Phycology, vol. 29, no. 3, pp. –, Jun., doi: 10./sy. 6 D.-H. Kim, H.-S. Yun, Y.-S. Kim, and J.-G. Kim, “Effects of Co-culture on Improved Productivity and Bioresource for Microalgal Biomass Using the Floc-Forming Bacteria Melaminivora Jejuensis,” Front. Bioeng. Biotechnol., vol. 8, Dec., doi: 10./fbioe 7 S. Belachqer-El Attar et al., “Influence of culture media composition on the rheology of microalgae concentrates on a large scale,” New Biotechnology, vol. 77, pp. 90–99, Nov., doi:10./j.nbt07 8 C. Carré, M. Moazzen, T. Lacassagne, and S. A. Bahrani, “Elasto-inertial dissipation in particle-laden viscoelastic Taylor–Couette flow,” Journal of Fluid Mechanics, vol., p. A19, Oct., doi:10./jfm 9 T. Lacassagne, M. EL Hajem, J.-Y. Champagne, and S. Simoëns, “Turbulent mass transfer near gas-liquid interfaces in water and shear-thinning dilute polymer solution,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol., p., Sep., doi: 10./j.ijheatmasstransfer 10 T. Lacassagne, S. Simoëns, M. E. Hajem, and J.-Y. Champagne, “Ratiometric, single-dye, pH-sensitive inhibited laser-induced fluorescence for the characterization of mixing and mass transfer,” Exp Fluids, vol. 59, no. 1, p. 21, Jan., doi: 10./sy. 11 T. Lacassagne, S. Simoëns, M. E. Hajem, and J.-Y. Champagne, “POD analysis of oscillating grid turbulence in water and shear thinning polymer solution,” AIChE Journal, vol. 67, no. 1, p. e,, doi: 10./aic 12 T. Lacassagne, T. Boulafentis, N. Cagney, and S. Balabani, “Modulation of elasto-inertial transitions in Taylor–Couette flow by small particles,” Journal of Fluid Mechanics, vol., Dec., doi:10./jfm 13 S. Almani, W. Blel, E. Gadoin, and C. Gentric, “Investigation of single bubbles rising in Newtonian and non-Newtonian fluids inside a thin-gap bubble column intended for microalgae cultivation,” Chemical Engineering Research and Design, vol., pp. –, Mar., doi: 10./j.cherd01 14 I’MTech, “Dans la turbulence des fluides complexes,” I’MTech. Accessed: May 26,. Online. Available: 15 T. Lacassagne, “Experimental contributions to the study of hydrodynamics and transfers in complex fluids and flows,” HDR, Université de Lille, Lille, Starting date -10-01 Funding category Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant) Funding further details Futur, Ruptures & Impacts, Institut Mines Télécom