Post-Doctorante/Post-doctorant : Intensification du mélange en fluides et écoulements complexes et applications à l’intensification des bioprocédés

École sous tutelle du ministère de l’économie, des finances et de la souveraineté industrielle et numérique, IMT Nord Europe est née en 2017 de la fusion de Télécom Lille et de l’École des Mines de Douai. Elle compte aujourd’hui parmi les plus Grandes Écoles d’ingénieurs au Nord de Paris avec plus 2200 élèves, dont un quart d’apprentis, plus de 600 diplômés par an et un réseau de 15 000 diplômés. Elle fait partie de l’Institut Mines Télécom, premier groupe public de Grandes Écoles d’ingénieurs et de management de France, et est partenaire de l’université de Lille.

IMT Nord Europe a 3 missions principales : former des ingénieurs responsables aptes à résoudre les grandes problématiques du XXIème siècle ; mener des recherches débouchant sur des innovations à haute valeur ajoutée ; soutenir le développement des territoires notamment en facilitant l’innovation et les créations d’entreprises. Son objectif est de former les ingénieurs de demain, maîtrisant à la fois les technologies numériques et les savoir-faire industriels. Idéalement située au carrefour de l’Europe, à 1 heure de Paris, 30 minutes de Bruxelles et 1H30 de Londres, IMT Nord Europe a l’ambition de devenir un acteur majeur des grandes transformations industrielles, numériques et environnementales du XXIème siècle en combinant, tant dans ses enseignements et que dans sa recherche, les sciences de l’ingénieur et les technologies du digital.

Localisée sur 2 sites principaux d’enseignement et de recherche, à Lille et à Douai, IMT Nord Europe s’appuie sur plus de 20 000 m² de laboratoire pour développer un enseignement de haut niveau et une recherche d’excellence dans les trois domaines « Systèmes Numériques », « Energie Environnement » et « Matériaux et Procédés ».

Pour plus de détails, consulter le site internet de l’École : www.imt-nord-europe.fr

Le poste est à pourvoir au sein du Centre d’Enseignement, de Recherche et d’Innovation Énergie Environnement - CERI EE (https://recherche.imt-nord-europe.fr/energie-environnement-ceri/ ). Ce Centre compte, outre une cinquantaine de doctorants et post doctorants, 30 enseignants-chercheurs, 12 ingénieurs et techniciens et 2 assistantes administratives. Il est structuré en trois axes thématiques et deux pôles technique et d’expertise.

Les missions de la candidate ou du candidat retenu(e) s’inscriront dans l’axe thématique « Énergie, Fluides et Transferts », dont les activités portent sur la décarbonation de la société. Cela inclut l’analyse des mécanismes d’intensification des phénomènes de transfert dans les composants thermo-fluidiques, à différentes échelles, pour des applications en génie des procédés et dans le domaine de l’énergie. Elle ou il rejoindra notamment le laboratoire des Écoulements de Fluides Complexes, qui mène des recherches sur les fluides complexes, les écoulements complexes, et leur rôle dans l’intensification des transferts et des procédés.

Dans le contexte actuel d’urgence des transitions écologique et énergétique, le développement de technologies combinant la bio-séquestration des gaz à effet de serre avec la production de produits biosourcés à destination des secteurs industriel, chimique/pharmaceutique ou agroalimentaire présente un potentiel extrêmement prometteur, ainsi que des atouts majeurs pour l’économie circulaire. Un certain nombre de ces bioprocédés, tels que la production de composés à forte valeur ajoutée à partir de micro-organismes (micro-algues, fermentation…), impliquent l’utilisation de fluides intrinsèquement complexes en raison de leur nature biologique, avec une rhéologie non newtonienne et évolutive au cours du procédé. L’efficacité de la production dépend ainsi de la capacité du milieu à capter et à mélanger les composés nécessaires à la croissance du produit cultivé.

La maîtrise de l’intensification des procédés via l’optimisation des transferts de chaleur et de masse, ainsi que du mélange, représente un défi majeur, car :

• L’agitation du milieu est à la fois nécessaire au mélange, mais peut également endommager les micro-organismes à fort taux de cisaillement, ce qui dégrade le rendement et la qualité de production [1]
• Les performances de mélange sont aussi sensibles aux propriétés rhéologiques complexes et évolutives du fluide.

Il est donc nécessaire de développer des stratégies permettant d’assurer un mélange efficace avec un cisaillement imposé limité, et capables de s’adapter à la rhéologie des fluides complexes. Ce post-doctorat s’inscrit dans deux projets de recherche complémentaires visant à comprendre et exploiter de nouvelles stratégies hydrodynamiques pour l’intensification des bioprocédés :

• Le projet IFrOG explore l’utilisation de la turbulence générée par grilles oscillantes – un dispositif couramment utilisé pour l’étude de la turbulence à faible cisaillement moyen et de son interaction avec d’autres phénomènes physiques [2], [3], [4] – comme outil de mélange dans les fluides complexes. Cette approche offre des conditions d’agitation efficaces et à faible cisaillement imposé, adaptées aux organismes sensibles au cisaillement. Dans ce cadre, une précédente étude expérimentale et numérique approfondie des propriétés de la turbulence et de ses mécanismes de génération a déjà été réalisée dans des fluides newtoniens [5], et reste à transposer aux cas non newtoniens.
• Le projet BioACE, quant à lui, étudie les instabilités de Poiseuille–Rayleigh–Bénard–Marangoni [6] pour ouvrir de nouvelles voies de fonctionnement continu des bioréacteurs à haute densité cellulaire.

Ensemble, ces projets proposent une approche où la rhéologie, les techniques expérimentales avancées, et les méthodes numériques sont mobilisées pour comprendre et optimiser le mélange, les transferts, et in fine, la production de produit à haute valeur ajoutée dans des milieux biologiques complexes.

[1]  C. Wang et C. Q. Lan, « Effects of shear stress on microalgae – A review », Biotechnol. Adv., vol. 36, p. 986‑1002, 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2018.03.001.

[2]  T. Lacassagne, M. EL Hajem, J.-Y. Champagne, et S. Simoëns, « Turbulent mass transfer near gas-liquid interfaces in water and shear-thinning dilute polymer solution », Int. J. Heat Mass Transf., vol. 194, p. 122975, sept. 2022, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.122975.

[3] R. N. Arnott, M. Cherif, L. D. Bryant, et D. J. Wain, « Artificially generated turbulence: a review of phycological nanocosm, microcosm, and mesocosm experiments », Hydrobiologia, janv. 2021, doi: 10.1007/s10750-020-04487-5.

[4] L. San, T. Long, et C. C. K. Liu, « Algal Bioproductivity in Turbulent Water: An Experimental Study », Water, vol. 9, no 5, p. 304, avr. 2017, doi: 10.3390/w9050304.

[5] V. Musy, A.-L. Hantson, D. Thomas, J.-C. Baudez, et T. Lacassagne, « Experimental characterization of the flow and turbulence generated by fractal oscillating grids », Phys. Fluids, vol. 36, no 10, p. 105162, oct. 2024, doi: 10.1063/5.0228992.

[6]               L. Bammou, S. Blancher, Y. Le Guer, K. El Omari, et B. Benhamou, « Linear stability analysis of Poiseuille–Bénard–Marangoni flow in a horizontal infinite liquid film », Int. Commun. Heat Mass Transf., vol. 54, p. 126‑131, mai 2014, doi: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2014.03.008.

Doctorat depuis moins de 3 ans (date de soutenance faisant foi) en mécanique des fluides, génie des procédés, matière molle ou apparenté.