Identification des paramètres du modèle d’évolution de Chlorella Vulgaris

Les microalgues sont des micro-organismes photosynthétiques qui présentent une grande diversité morphologique et des caractéristiques biochimiques intéressantes qui leur confèrent un grand nombre d’applications à l’échelle scientifique et industrielle dans différents domaines à savoir : la production de molécules à hautes valeurs ajoutées exploitées dans le domaine pharmaceutique et cosmétique, l’alimentation humaine et animale et la production d’énergie renouvelable à travers la synthèse biologique d’hydrogène, de méthane et de carburant.

Le développement des technologies environnementales a pris une place de plus en plus importante dans la politique mondiale actuelle. En effet, du fait des conséquences du réchauffement climatique et des émissions importantes de gaz à effet de serre, plusieurs études se sont orientées vers le rôle potentiel des systèmes biologiques, et plus spécialement l’implication de la biotechnologie microalgale, dans la réduction et l’élimination de ces émissions. Une des pistes prometteuses consiste dans la bio-fixation du dioxyde de carbone par les microalgues, celui-ci étant le principal gaz à effet de serre. Le principe de la séquestration du dioxyde de carbone par les microalgues repose sur la fonction photosynthétique de ces micro organismes afin de consommer le CO2. En présence de lumière, les microalgues sont capables d’assimiler le CO2 afin de synthétiser l’oxygène, les métabolites secondaires et pour croître. L’application des microalgues à des fins environnementales représente ainsi une solution très prometteuse compte tenu de leurs potentiels et des différents avantages relatifs à leur vitesse de croissance et activité photosynthétique, nettement plus importante que celle des plantes terrestres, de leur forte tolérance vis-à-vis de concentrations élevées en CO2 et la possibilité de contrôle des conditions de cultures dans des réacteurs instrumentés. La stratégie de fixation de CO2 par les microalgues repose sur une démarche spécifique qui s’appuie dans un premier temps sur une phase de sélection de l’espèce algale ayant les propriétés métaboliques et biochimiques adéquates pour la consommation du CO2 ; et dans un deuxième temps, sur l’optimisation des conditions opératoires du procédé de culture choisi. Plusieurs espèces de microalgues, tels que Chlorella et Spirulina, sont considérées comme des candidates potentielles pour la bio-fixation du dioxyde de carbone .

Les microalgues

Les organismes photosynthétiques suscitent un intérêt grandissant, en raison de leurs propriétés biologiques et métaboliques intéressantes. Le terme « microalgues » s’est progressivement imposé dans les mondes scientifique et industriel. En effet, depuis quelques années, la biotechnologie microalgale est devenue un thème de recherche privilégié permettant d’explorer et d’exploiter l’énorme potentiel de ces microorganismes intervenant au sein de nombreux systèmes et dans de multiples secteurs industriels comme les domaines énergétique, pharmaceutique, alimentaire et plus récemment environnemental.

Définition et origine des microalgues

Les algues sont des organismes photosynthétiques qui se développent dans des habitats variés, majoritairement des environnements aquatiques, et qui sont capables de convertir l’énergie lumineuse et une source de carbone, le dioxyde de carbone ou « CO2 », en un ensemble de matières organiques ou « biomasse ». On distingue deux catégories principales d’algues : les « macroalgues » et les « microalgues ». Les macroalgues sont des algues multicellulaires de taille proche du centimètre et qui croissent le plus souvent dans des bassins naturels d’eau douce ou d’eau salée. (Wen et Johnson, 2009). Ces organismes sont nécessaires aux écosystèmes côtiers en termes de composition, fonction et productivité (Taylor, 1957; Taylor, 1960; Littler et Littler, 2000; Dawes et Mathiesen, 2008). On distingue principalement trois groupes de macroalgues différenciés selon leur pigmentation : rouge, verte et marron. Les microalgues ont une taille de l’ordre du micromètre et sont considérées comme des algues unicellulaires qui se développent en suspension principalement dans des solutions aqueuses (Wen et Johnson, 2009). Ces microorganismes photosynthétiques sont considérés comme les premiers producteurs d’oxygène indispensable à la respiration de la majorité des êtres vivants. Leur existence remonte dans les océans à plus de trois milliards d’années ; ils sont à l’origine de la transformation de la composition atmosphérique (fixation de CO2 et rejet de O2) et ont permis la vie végétale et animale sur notre planète. Souvent désignées sous la dénomination de « Phytoplancton » (Sumi, 2009), les microalgues représentent une source d’alimentation pour les premières étapes larvaires (Coutteau et al., 1997) comme pour les êtres humains de par leur composition biochimique adaptée (Yúfera et Lubián, 1990; Brown et al, 1997).

Caractéristiques

Ces microorganismes synthétisent, par le bais de la photosynthèse, de l’oxygène et des métabolites organiques primaires tels que les glucides, les lipides et les protéines. Du point de vue structure cellulaire, la microalgue présente un noyau et une membrane plasmique contenant des organites essentiels à son fonctionnement tels que les chloroplastes, les amyloplastes, les oléoplastes et les mitochondries. Elle contient trois principaux types de pigments qui sont les chlorophylles, les caroténoïdes et les phicobiliprotéines. Les microalgues présentent des formes variables : souvent sphériques (porphyridium), en forme de croissant (clostridium), de spirale (Arthrospira), de gouttelette (chlamydomonas) et même d’étoile (Staurastrum).

Du point de vue nutrition, les microalgues sont majoritairement « photoautotrophes » mais elles peuvent être également « hétérotrophes » ou « mixotrophes ». Un métabolisme autotrophe se traduit par l’utilisation d’une source de carbone inorganique comme le dioxyde de carbone ou le bicarbonate tandis que le métabolisme hétérotrophe est caractérisé par une consommation de carbone organique comme source de carbone pour leur développement; les mixotrophes utilisent les deux types de source de carbone.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CONTEXTE ET MOTIVATIONS
ORGANISATION DE LA THESE
1 LES MICROALGUES
1.1 DEFINITION ET ORIGINE DES MICROALGUES
1.1.1 Caractéristiques
1.1.2 Classification
1.2 APPLICATIONS DES MICROALGUES
1.2.1 Domaine alimentaire
1.2.2 Domaine pharmaceutique
1.2.3 Domaine cosmétique
1.2.4 Domaine énergétique
1.2.5 Domaine environnemental
1.3 OBJECTIFS DE NOTRE ETUDE : STRATEGIE DE BIO-FIXATION DE CO2
1.3.1 Sélection de l’espèce de microalgue
1.3.2 Optimisation de la conception du photobioréacteur pour la stratégie de bio-fixation du CO2
1.3.3 Choix de l’espèce algale
1.4 CONCLUSION
2 MODELISATION DU BIOPROCEDE
2.1 INTRODUCTION
2.2 MODES DE FONCTIONNEMENT DES CULTURES ALGALES
2.3 MODELE RETENU DANS LE CADRE DE LA THESE
2.4 CONCLUSION
3 IDENTIFICATION DES PARAMETRES DU MODELE D’EVOLUTION DE CHLORELLA VULGARIS
3.1 INTRODUCTION
3.2 MODELISATION DU SYSTEME
3.2.1 Equation d’état relative à l’évolution de la biomasse
3.2.2 Equation d’état relative à l’évolution du carbone inorganique total
3.2.3 Cinétique de croissance de Chlorella vulgaris
3.3 DETERMINATION EXPERIMENTALE DU COEFFICIENT DE TRANSFERT GAZ-LIQUIDE « KLA »
3.4 IDENTIFICATION EXPERIMENTALE DU RENDEMENT DE CONVERSION « YX/CIT »
3.5 IDENTIFICATION DES PARAMETRES DU MODELE
3.5.1 Procédure d’identification des paramètres du modèle de la lumière
3.5.2 Identification paramétrique du modèle de croissance
3.5.3 Validation du modèle de croissance
3.6 CONCLUSION
4 ESTIMATION DE LA CONCENTRATION EN BIOMASSE
4.1 INTRODUCTION
4.2 ETAT DE L’ART
4.3 FILTRE DE KALMAN
4.3.1 Principe
4.3.2 Application au système étudié
4.3.3 Mise en œuvre en simulation
4.4 OBSERVATEUR ASYMPTOTIQUE
4.4.1 Principe
4.4.2 Application au système étudié
4.4.3 Performances en simulation
4.5 OBSERVATEUR PAR INTERVALLES
4.5.1 Principe
4.5.2 Application au système étudié
4.5.3 Réglage des gains de l’observateur par intervalles
4.5.4 Performances en simulation
4.6 VALIDATION EXPERIMENTALE
4.7 CONCLUSION
5 MISE EN ŒUVRE D’UNE LOI DE COMMANDE PREDICTIVE NON-LINEAIRE
5.1 INTRODUCTION
5.2 ETAT DE L’ART
5.3 COMMANDE PREDICTIVE
5.3.1 Bref historique de la commande prédictive
5.3.2 Principe de la commande prédictive
5.3.3 Commande prédictive non-linéaire
5.4 APPLICATION AU SYSTEME ETUDIE
5.4.1 Objectif de commande
5.4.2 Formulation mathématique de la commande prédictive non-linéaire
5.5 PERFORMANCES EN SIMULATION
5.5.1 Simulation du cas nominal
5.5.2 Analyse de robustesse
5.5.3 Conclusion
5.6 VALIDATION EXPERIMENTALE DE LA COMMANDE PREDICTIVE NON-LINEAIRE
5.6.1 Commande couplée avec le filtre de Kalman
5.6.2 Commande couplée avec l’observateur par intervalles
5.6.3 Validation des performances par rapport à la GMC
5.7 CONCLUSION
6 CONCLUSIONS