Cette thèse se place dans le contexte de la production solaire de microalgues dans les conditions désertiques du Qatar. Dans de tels environnements, les microalgues représentent une alternative durable qui peut supporter efficacement les enjeux de la sécurité alimentaire, notamment en raison du manque de terres arables et d’eau douce pour l’agriculture conventionnelle. Cet environnement est également proche de l’idéal d’ensoleillement pour la culture des algues. Cependant, cela se combine à une température moyenne élevée, qui pourrait avoir un effet négatif sur le taux de croissance des algues et la production des métabolites d’intérêt. Un lien étroit existe alors entre les conditions appliquées (qui seront dynamiques), la souche retenue (les effets étant souvent souche-­dépendant), et la technologie de culture utilisée. Cette thèse vise à aborder ces trois aspects. Pour cela, nous nous sommes intéressés à sélectionner des souches adaptées à la production à grande échelle. Cinq souches isolées dans un environnement désertique ont été comparées. Ensuite, la souche la plus prometteuse a été étudiée en détails sous différents régimes de lumière et température. Des expérimentations en photobioréacteurs contrôlés ont permis d’étudier les effets indépendamment, puis en couplage. Les effets propres à des cycles dynamiques tels que rencontrés en extérieurs ont aussi été mis en évidence. La dernière partie présente un modèle thermique d'un système raceway, adapté à la culture au Qatar. Après validation, le modèle a été utilisé pour prédire les échanges et régimes thermiques rencontrés. L'intérêt d'introduire des solutions adaptées de régulation thermique a aussi été étudié. / This thesis is placed in the context of the solar culture of microalgae in the desert conditions of Qatar. In such environments, microalgae provide an alternative sustainable solution for food security, especially with the lack of sufficient arable land and fresh water for conventional agriculture. This environment is also close to the ideal regarding available solar radiation. However, this is combined with a high temperature, which could have a negative effect on both growth rate and production of metabolites of interest. A close link then exists between the culture conditions (which will be dynamic), the strain (the effects being often strain-­dependent), and the culture technology used. This thesis aims to address these three aspects. For this, we firstly selected strains adapted to large-­scale production in Qatar. Five strains isolated from the desert environment were compared. Then, the most promising strain was studied under different light and temperature regimes. Experiments in controlled photobioreactors allowed studying the effects independently, and then their inter-­relation. The effects of dynamic cycles as encountered outdoor were also highlighted. The last part presents a thermal model of a raceway system. After validation, the model was used to predict the exchanges and thermal regimes encountered. The interest of introducing adapted thermal regulation solutions has also been studied. The use of heat exchangers using the thermal inertia of the soil has been highlighted, illustrating the interest of combining strain selection to identify robust strain with engineering approaches to develop adapted culture system for Qatar conditions.

Botryococcus braunii Bot-22 a été cultivée dans un photobioréacteur plat dans des conditions photoautotrophiques continues. Deux densités de flux de photons (PFD) de 50 et 500 μmol quanta m-2 s-1, deux taux de dilution de 0.178 et 0.357 d-1, trois concentrations différentes d'oxygène dissous et deux périodes de exposition à la lumière ont été appliquées pour produire de différentes productions de biomasse et 'd'hydrocarbures et de profil d’acides gras. L'augmentation de dix fois du PAR-PFD appliqué sur la surface du photobioréacteur induit une augmentation transitoire du rEX, avant d'atteindre un nouvel état stationnaire correspondant à une productivité de la biomasse de 21.34 g m-2 d-1, qui représente une augmentation de 360 % par rapport à la productivité obtenu sous 50 μmol quanta m-2 s-1. En revanche, aucun changement apparent de rEX n'a été observé après avoir doublé le taux de dilution à PFD constant et cela malgré une double augmentation de la productivité de la biomasse jusqu'à 47.8 g m-2 d-1. La productivité des hydrocarbures extracellulaires a suivi la même tendance que les celle de biomasse, atteignant une valeur maximale de 12.4 g m-2 d-1 pour un rendement estimé de la biomasse sur l'apport lumineux de 1.1 g mol de photons-1. La productivité d'hydrocarbures la plus élevée correspondait aux photons continus, une dilution de 0.357 d-1, 500 μmol quanta m-2 s-1 et à 4 % de la concentration d'oxygène dissous. Les principaux acides gras du «B. braunii race B strain BOT-22 fatty acids » étaient l'acide oléique, l'acide palmitique, l'acide a-linoléique, et l'acide stéarique. / Botryococcus braunii Bot-22 was cultivated in a flat-panel photobioreactor under continuous photoautotrophic conditions. Two photon flux densities (PFD) of 50 and 500 μmol photons m-2 s-1, two dilution rates of 0.178 and 0.357 d-1, three different dissolved oxygen concentration and two light periods were applied to provide different biomass and hydrocarbon production and fatty acids profile. The tenfold increase of the PAR-PFD applied on the photobioreactor surface induced a transient increase of rEX, before reaching a new steady state corresponding to a biomass productivity of 21.34 g m-2 d-1, a 360 % increase as compared to the productivity obtained under 50 μmol photons m-2 s-1. By contrast, no apparent change of rEX was observed after doubling the dilution rate at constant PFD, despite a twofold increase of the biomass productivity, up to 47.8 g m-2 d-1. The extracellular hydrocarbons productivity followed the same trend as the biomass data, reaching a maximal value of 12.4 g m-2 d-1 for an estimated biomass yield on light supply of 1.1 g mol photons-1. The highest hydrocarbon productivity was corresponding to continuous light, dilution rate of 0.357d-1, 500 μmol photons m-2 s-1 and 4 % of dissolved oxygen concentration. The main fatty acids of B. braunii race B strain BOT-22 fatty acids were, oleic acid, palmitic acid, a-linoleic acid, and stearic acid.

L'ingénierie de la photosynthèse est une voie prometteuse en vue de produire à la fois des vecteurs énergétiques et des molécules plateformes pour palier la raréfaction des ressources fossiles. Le défi à relever est de taille car il faut réussir à mettre au point des procédés solaires de production de biomasse à constante de temps courte (quelques jours), là où une centaine de millions d'années a été nécessaire à la formation du pétrole. Cet objectif pourrait être atteint en cultivant des micro-organismes photosynthétiques dans des photobioréacteurs dont les performances cinétiques en surface et en volume seraient optimales. Une telle optimisation nécessite avant tout une analyse fine des transferts radiatifs au sein du procédé. L'analyse radiative des photobioréacteurs qui est ici proposée s'ouvre sur la détermination des propriétés d'absorption et de diffusion des suspensions de micro-organismes photosynthétiques, à partir de leurs caractéristiques morphologiques, métaboliques et structurales. Une chaîne de modélisation est construite, mise en oeuvre et validée expérimentalement pour des micro-organismes de formes simples ; à terme, la démarche développée pourra directement être étendue à des formes plus complexes. Puis, l'analyse du transfert radiatif en diffusion multiple est introduite et illustrée par différentes approximations qui apparaissent pertinentes pour une conceptualisation des photobioréacteurs, menant ainsi à la construction d'un intuitif nécessaire à leur optimisation. Enfin, la méthode de Monte Carlo est mise en oeuvre afin de résoudre rigoureusement la diffusion multiple en géométries complexes (géométries qui découlent d'une conception optimisée du procédé) et afin de calculer les performances cinétiques à l'échelle du photobioréacteur. Ce dernier calcul utilise une avancée méthodologique qui permet de traiter facilement le couplage non-linéaire du transfert radiatif à la cinétique locale de la photosynthèse (et qui laisse entrevoir de nombreuses autres applications dans d'autres domaines de la physique du transport). Ces outils de simulation mettent à profit les développements les plus récents autour de la méthode de Monte Carlo, tant sur le plan informatique (grâce à une implémentation dans l'environnement de développement EDStar) que sur le plan algorithmique : formulation intégrale, algorithmes à zéro-variance, calcul de sensibilités (le calcul des sensibilités aux paramètres géométriques est ici abordé d'une manière originale qui permet de simplifier significativement sa mise en oeuvre, pour un ensemble de configurations académiques testées). Les perspectives de ce travail seront d'utiliser les outils d'analyse développés durant cette thèse afin d'alimenter une réflexion sur l'intensification des photobioréacteurs, et d'étendre la démarche proposée à l'étude des systèmes photoréactifs dans leur ensemble.

L'ingénierie de la photosynthèse est une voie prometteuse en vue de produire à la fois des vecteurs énergétiques et des molécules plateformes pour palier la raréfaction des ressources fossiles. Le défi à relever est de taille car il faut réussir à mettre au point des procédés solaires de production de biomasse à constante de temps courte (quelques jours), là où une centaine de millions d'années a été nécessaire à la formation du pétrole. Cet objectif pourrait être atteint en cultivant des micro-organismes photosynthétiques dans des photobioréacteurs dont les performances cinétiques en surface et en volume seraient optimales. Une telle optimisation nécessite avant tout une analyse fine des transferts radiatifs au sein du procédé. L'analyse radiative des photobioréacteurs qui est ici proposée s'ouvre sur la détermination des propriétés d'absorption et de diffusion des suspensions de micro-organismes photosynthétiques, à partir de leurs caractéristiques morphologiques, métaboliques et structurales. Une chaîne de modélisation est construite, mise en oeuvre et validée expérimentalement pour des micro-organismes de formes simples ; à terme, la démarche développée pourra directement être étendue à des formes plus complexes. Puis, l'analyse du transfert radiatif en diffusion multiple est introduite et illustrée par différentes approximations qui apparaissent pertinentes pour une conceptualisation des photobioréacteurs, menant ainsi à la construction d'un intuitif nécessaire à leur optimisation. Enfin, la méthode de Monte Carlo est mise en oeuvre afin de résoudre rigoureusement la diffusion multiple en géométries complexes (géométries qui découlent d'une conception optimisée du procédé) et afin de calculer les performances cinétiques à l'échelle du photobioréacteur. Ce dernier calcul utilise une avancée méthodologique qui permet de traiter facilement le couplage non-linéaire du transfert radiatif à la cinétique locale de la photosynthèse (et qui laisse entrevoir de nombreuses autres applications dans d'autres domaines de la physique du transport). Ces outils de simulation mettent à profit les développements les plus récents autour de la méthode de Monte Carlo, tant sur le plan informatique (grâce à une implémentation dans l'environnement de développement EDStar) que sur le plan algorithmique : formulation intégrale, algorithmes à zéro-variance, calcul de sensibilités (le calcul des sensibilités aux paramètres géométriques est ici abordé d'une manière originale qui permet de simplifier significativement sa mise en oeuvre, pour un ensemble de configurations académiques testées). Les perspectives de ce travail seront d'utiliser les outils d'analyse développés durant cette thèse afin d'alimenter une réflexion sur l'intensification des photobioréacteurs, et d'étendre la démarche proposée à l'étude des systèmes photoréactifs dans leur ensemble. / Photosynthesis engineering is a promising mean to produce both energy carriers and fine chemicals in order to remedy the growing scarcity of fossil fuels. This is a challenging task since it implies to design process for solar biomass production associated with short time constant (few days), while oil formation took hundred million of years. This aim could be achieved by cultivating photosynthetic microorganisms in photobioreactors with optimal surface and volume kinetic performances. Above all, such an optimization necessitate a careful radiative study of the process. A radiative analysis of photobioreactors is here proposed that starts with the determination of the absorption and scattering properties of photosynthetic microorganisms suspensions, from the knowledge their morphological, metabolic and structural features. A model is constructed, implemented and validated for microorganisms with simple shapes ; the extension of this approach for the treatment of complex shapes will eventually be straightforward. Then, multiple scattering radiative transfer analysis is introduced and illustrated through different approximations that are relevant for the conceptualization of photobioreactors, leading to the construction of physical pictures that are necessary for the optimization of the process. Finally, the Monte Carlo method is implemented in order to rigorously solve multiple scattering in complex geometries (geometries that correspond to an optimized design of the process) and in order to calculate the kinetic performances of the reactor. In this trend, we develop a novel methodological development that simplies the treatment of the non-linear coupling between radiative transfer and the local kinetic of photosynthesis. These simulation tools also benefit from the most recent developments in the field of the Monte Carlo method : integral formulation, zero-variance algorithms, sensitivity evaluation (a specific approach for the evaluation of sensitivities to geometrical parameters is here developed and shown to correspond to a simple implementation in the case of a set of academic configurations that are tested). Perspectives of this work will be to take advantage of the developed analysis tools in order to stimulate the reflexion regarding photobioreactor intensification, and to extend the proposed approach to the study of photoreactive systems engineering in general.