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Les micro-organismes comme source d'énergie et de traitement des déchets

Pour optimiser la production de bioénergie et le traitement des déchets, une équipe financée par l'UE a utilisé des bactéries pour produire de la biomasse et du biogaz, et récupérer des nutriments.
Les micro-organismes comme source d'énergie et de traitement des déchets
Les écosystèmes microbiens sont d'une grande utilité pour la société humaine dans de nombreux domaines comme la dégradation des polluants de l'eau, de l'air et des sols. Ils peuvent également transformer les déchets en ressources renouvelables précieuses, notamment en bioénergie, biomatériaux et produits de grande valeur.

Cela signifie que plusieurs écosystèmes microbiens peuvent être combinés dans des bioprocédés intégrés ou des bioraffineries. Différentes formes de bioénergie et de biomatériaux peuvent ainsi être produites et des sources de pollution multiples peuvent être traitées simultanément. Cependant, il existe un haut niveau d'incertitude à cause du grand nombre de variables impliquées. C'est la raison pour laquelle un cadre systématique est nécessaire pour concevoir et exploiter ces procédés.

Le projet DOP-ECOS (Optimal design and operation of microbial ecosystems for bioenergy production and waste treatment) s'est concentré sur des bioprocédés qui combinent un photobioréacteur avec un digesteur anaérobie. Le photobioréacteur utilise des micro-algues pour capter la lumière du soleil et la convertir en biomasse, tandis que le digesteur convertit la biomasse en biogaz et récupère des nutriments.

Les partenaires du projet ont développé de nouveaux algorithmes pour améliorer l'efficacité et la fiabilité de l'estimation, de l'optimisation et du contrôle des procédés biotechnologiques et pour réduire le niveau d'incertitude. Un accent particulier a été mis sur l'estimation à effectif fixé, une technique qui permet de déterminer toutes les valeurs de paramètres possibles d'un modèle et un nouveau cadre algorithmique, appelé «branch-and-lift».

Ces méthodes et outils avancés d'optimisation ont servi à créer des modèles de pointe pour l'optimisation des performances du photobioréacteur et du digesteur anaérobie. Les chercheurs ont développé des modèles de culture de micro-algues qu'ils ont intégrés dans des modèles multiphysiques pour prévoir les productivités à grande échelle dans un étang d'élevage, ainsi que dans des modèles de mécanique des fluides numérique qui décrivent les conditions de flux.

Les modèles ont permis d'identifier les principaux goulets d'étranglement et les possibilités d'amélioration dans des systèmes de culture à grande échelle pour tester l'hypothèse de l'utilisation d'espèces de micro-algues génétiquement modifiées. Ils pourraient également être utilisés pour déterminer les meilleurs emplacements pour les fermes de micro-algues à l'aide de systèmes d'information géographiques (SIG).

DOP-ECOS a été le premier projet de ce genre appliquant une méthodologie systématique à base de modèles pour les stratégies de conception et d'exploitation à des systèmes microbiens intégrés. Ces résultats ouvrent de nouvelles possibilités d'application des technologies d'optimisation pour relever des défis industriels intéressants, notamment en biotechnologies.

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Mots-clés

Écosystèmes microbiens, bioprocédés, bioraffineries DOP-ECOS, photobioréacteur, digesteur anaérobie, estimation à effectif défini, modèles multiphysiques, mécanique des fluides numérique