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

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 2028 – 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 scientifique 1) de la physico-chimie des concentrations élevées de biomasse et de molécules actives, qui rend les suspensions non newtoniennes [3], [4], [5] ; 2) des grands volumes et des échelles d'écoulement, qui entraînent des processus d'écoulement chaotiques et/ou turbulents ; 3) des opérations de mélange et de transfert de masse optimisées et efficaces, qui nécessitent des stratégies 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 mécanismes rhéologiques et hydrodynamiques couplés 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 transfert dans 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 la rhéométrie de précision [3], [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 2040). D'un point de vue institutionnel, le projet devrait 1) renforcer la collaboration internationale entre l'UTS et l'IMT, conformément aux accords récents ; 2) mettre en place une activité d'intensification des fluides complexes [14] à l'IMT à la suite du récent HDR [15] du PI ; 3) ouvrir des opportunités de transfert technologique pour ces activités ; 4) permettre de poursuivre les travaux dans le cadre du projet CHyTriCS ERC sur le transfert chaotique dans les fluides complexes (2025 StG phase 2, 2027 nouvelle soumission).