Control and optimization of ecosystems in bioreactors for bioenergy production
Contrôle et optimisation d'écosystèmes en bioréacteurs pour la production de bioénergie
Résumé
Some alternative biofuels, produced by microbial ecosystems, are presently studied with the aim of limiting the unreasoned resource consumption of energetic resources, and greenhouse gases emissions which modify the climate. In this thesis we have considered bioreactors based on oleaginous microalgae, and on anaerobic bacterial ecosystems which degrade wastes and produce methane. The aims of these works were to better understand these processes and to improve their performances. First we have developed and studied models of microalgal cultures in photobioreactors, in which algal pigments cause strong light attenuation. For anaerobic digestion we have used an existing model. By rigorous mathematical analysis of these models, we proposed strategies for optimizing their productivity. Then the study of natural selection between several microbial species, in these two ecosystems, leads to the protection of the species which wins the competition. And finally we showed how it's possible in each ecosystem to control competition and drive natural selection, in order to advantage species which efficient characteristics, inducing better performances.
Des biocarburants alternatifs, utilisant des microsystèmes microbiens, sont actuellement étudiés dans le but de limiter la consommation non raisonnée de ressources énergétiques et le rejet de gaz à effet de serre, qui modifient le climat. Dans cette thèse, nous avons considéré des bioréacteurs à base de microalgues oléagineuses, et des écosystèmes bactériens anaérobies qui décomposent des déchets et produisent du méthane . Ces travaux avaient pour objectif de mieux comprendre ces procédés et d'en améliorer les performances. Nous avons tout d'abord modélisé et étudié des cultures de microalgues en photobioréacteurs, dans lesquels les pigments algaux induisent une forte atténuation lumineuse. Pour les écosystèmes bactériens, nous avons utilisé un modèle précédemment développé. A l'aide de ces modèles et de leurs analyse mathématique rigoureuse, nous avons proposé des stratégies pour optimiser leur productivité. Ensuite, l'étude de la sélection naturelle entre plusieurs espèces de microorganismes dans ces deux écosystèmes a permis de prédire quelles espèces remportent la compétition. Et finalement nous avons montré comment il est possible, dans chaque écosystème, de contrôler la compétition pour diriger la sélection naturelle de façon à avantager des espèces ayant des caractéristiques permettant une performance accrue.
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