Analyse radiative des photobioréacteurs

L'ingenierie de la photosynthese est une voie prometteuse en vue de produire a la fois des vecteurs energetiques et des molecules plateformes pour palier la rarefaction des ressources fossiles. Le defi a relever est de taille car il faut reussir a mettre au point des procedes solaires de production de biomasse a constante de temps courte (quelques jours), la ou une centaine de millions d'annees a ete necessaire a la formation du petrole. Cet objectif pourrait etre atteint en cultivant des micro-organismes photosynthetiques dans des photobioreacteurs dont les performances cinetiques en surface et en volume seraient optimales. Une telle optimisation necessite avant tout une analyse fine des transferts radiatifs au sein du procede. L'analyse radiative des photobioreacteurs qui est ici proposee s'ouvre sur la determination des proprietes d'absorption et de diffusion des suspensions de micro-organismes photosynthetiques, a partir de leurs caracteristiques morphologiques, metaboliques et structurales. Une chaine de modelisation est construite, mise en oeuvre et validee experimentalement pour des micro-organismes de formes simples ; a terme, la demarche developpee pourra directement etre etendue a des formes plus complexes. Puis, l'analyse du transfert radiatif en diffusion multiple est introduite et illustree par differentes approximations qui apparaissent pertinentes pour une conceptualisation des photobioreacteurs, menant ainsi a la construction d'un intuitif necessaire a leur optimisation. Enfin, la methode de Monte Carlo est mise en oeuvre afin de resoudre rigoureusement la diffusion multiple en geometries complexes (geometries qui decoulent d'une conception optimisee du procede) et afin de calculer les performances cinetiques a l'echelle du photobioreacteur. Ce dernier calcul utilise une avancee methodologique qui permet de traiter facilement le couplage non-lineaire du transfert radiatif a la cinetique locale de la photosynthese (et qui laisse entrevoir de nombreuses autres applications dans d'autres domaines de la physique du transport). Ces outils de simulation mettent a profit les developpements les plus recents autour de la methode de Monte Carlo, tant sur le plan informatique (grâce a une implementation dans l'environnement de developpement EDStar) que sur le plan algorithmique : formulation integrale, algorithmes a zero-variance, calcul de sensibilites (le calcul des sensibilites aux parametres geometriques est ici aborde d'une maniere originale qui permet de simplifier significativement sa mise en oeuvre, pour un ensemble de configurations academiques testees). Les perspectives de ce travail seront d'utiliser les outils d'analyse developpes durant cette these afin d'alimenter une reflexion sur l'intensification des photobioreacteurs, et d'etendre la demarche proposee a l'etude des systemes photoreactifs dans leur ensemble.