Rhéologie et hydrodynamique des co-cultures d'algues et de cyanobactéries

Les microalgues et les cyanobactéries se trouvent à la croisée des chemins entre la durabilité et la biotechnologie, offrant une opportunité unique de capturer le CO₂ tout en permettant de valoriser la biomasse et/ou les biomolécules produites [1]. La biotechnologie des algues connaît une expansion rapide (marché mondial estimé à 48 milliards de dollars en 2028 – Source : GrandViewResearch), avec de nombreux domaines d'application (biocarburants, pigments, cosmétiques, agriculture, alimentation, pharmacie, production d'hydrogène). Des défis majeurs subsistent toutefois pour soutenir la croissance et l'impact de cette industrie. Il s'agit notamment de développer à grande échelle des opérations de culture durables, de les rendre viables en tant que technologies CCUS efficaces, et d'assurer un rendement élevé et une production de biomasse en grand volume [2]. Cela revient en fin de compte à une meilleure compréhension scientifique 1) de la physico-chimie des concentrations élevées de biomasse et de molécules actives, qui rend les suspensions non newtoniennes [3], [4], [5] ; 2) des grands volumes et des échelles d'écoulement, qui entraînent des processus d'écoulement chaotiques et/ou turbulents ; 3) des opérations de mélange et de transfert de masse optimisées et efficaces, qui nécessitent des stratégies efficaces d'intensification du transfert. Les co-cultures de microalgues et de cyanobactéries incarnent parfaitement ces trois défis. Elles présentent un grand potentiel synergique pour une croissance efficace et productive des espèces combinées [6]. Mais en même temps, ces systèmes présentent une rhéologie non newtonienne complexe [3], [7] où les interactions microscopiques entre les cellules et les substances extracellulaires régissent l'hydrodynamique macroscopique et, en fin de compte, les performances du processus.

Réunissant la dynamique des fluides complexe et la biotechnologie algale, ce projet vise à élucider les mécanismes rhéologiques et hydrodynamiques couplés qui sous-tendent les co-cultures de microalgues et de cyanobactéries, afin d'établir en fin de compte des relations prédictives entre la composition biologique, la stabilité de l'écoulement et l'efficacité du transfert dans des conditions de culture contrôlées. S'appuyant sur les premières conclusions récentes de l'équipe de supervision [3] et sur des approches expérimentales originales, la recherche développera des cadres expérimentaux et de modélisation avancés pour caractériser et contrôler ces effets, en combinant la rhéométrie de précision [3], [4], [5], [8], l'imagerie de flux à haute résolution (PIV, LIF) [9], [10] et l'analyse hydrodynamique [9], [11] dans des systèmes multiphases [9], [12], [13] afin de quantifier le rôle de la biologie dans la rhéologie et le comportement des écoulements.

Mené conjointement par l'IMT Nord Europe et son nouveau partenaire clé, l'Université de technologie de Sydney (UTS), le projet fera le lien entre la rhéophysique fondamentale et l'ingénierie des bioprocédés, en identifiant comment les instabilités contrôlées et le mélange chaotique peuvent améliorer la productivité et l'efficacité énergétique des photobioréacteurs. Ses résultats contribueront directement à la conception de systèmes de culture d'algues à haute densité et à faible consommation d'énergie, faisant progresser à la fois la compréhension fondamentale des fluides complexes et le développement de biotechnologies à faible émission de carbone alignées sur les objectifs mondiaux de durabilité (principalement les ODD n° 9 et 12, avec des ramifications vers les ODD n° 2, 6 et 7, et un impact à long terme sur l'ODD n° 13, la trajectoire climatique de l'UE pour 2040).

[1] M. I. Khan, J. H. Shin, and J. D. Kim, “The promising future of microalgae: current status, challenges, and optimization of a sustainable and renewable industry for biofuels, feed, and other products,” Microb Cell Fact, vol. 17, no. 1, p. 36, Mar. 2018, doi: 10.1186/s12934-018-0879-x.
[2] M. A. Borowitzka and A. Vonshak, “Scaling up microalgal cultures to commercial scale,” European Journal of Phycology, vol. 52, no. 4, pp. 407–418, Oct. 2017, doi: 10.1080/09670262.2017.1365177.
[3] C. Button et al., “Rheological characterization and modeling of freshwater and marine microalgae and cyanobacteria mixed cultures,” Algal Research, vol. 88, p. 103988, Mar. 2025, doi:10.1016/j.algal.2025.103988.
[4] A. Souliès, J. Pruvost, J. Legrand, C. Castelain, and T. I. Burghelea, “Rheological properties of suspensions of the green microalga Chlorella vulgaris at various volume fractions,” Rheol Acta, vol. 52, no. 6, pp. 589–605, Jun. 2013, doi: 10.1007/s00397-013-0700-z.
[5] N. Cagney, T. Zhang, R. Bransgrove, M. J. Allen, and S. Balabani, “Effects of cell motility and morphology on the rheology of algae suspensions,” Journal of Applied Phycology, vol. 29, no. 3, pp. 1145–1157, Jun. 2017, doi: 10.1007/s10811-016-1033-y.
[6] D.-H. Kim, H.-S. Yun, Y.-S. Kim, and J.-G. Kim, “Effects of Co-culture on Improved Productivity and Bioresource for Microalgal Biomass Using the Floc-Forming Bacteria Melaminivora Jejuensis,” Front. Bioeng. Biotechnol., vol. 8, Dec. 2020, doi: 10.3389/fbioe.2020.588210.
[7] S. Belachqer-El Attar et al., “Influence of culture media composition on the rheology of microalgae concentrates on a large scale,” New Biotechnology, vol. 77, pp. 90–99, Nov. 2023, doi:10.1016/j.nbt.2023.07.005.
[8] C. Carré, M. Moazzen, T. Lacassagne, and S. A. Bahrani, “Elasto-inertial dissipation in particle-laden viscoelastic Taylor–Couette flow,” Journal of Fluid Mechanics, vol. 997, p. A19, Oct. 2024, doi:10.1017/jfm.2024.781.
[9] T. Lacassagne, M. EL Hajem, J.-Y. Champagne, and S. Simoëns, “Turbulent mass transfer near gas-liquid interfaces in water and shear-thinning dilute polymer solution,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 194, p. 122975, Sep. 2022, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.122975.
[10] T. Lacassagne, S. Simoëns, M. E. Hajem, and J.-Y. Champagne, “Ratiometric, single-dye, pH-sensitive inhibited laser-induced fluorescence for the characterization of mixing and mass transfer,” Exp Fluids, vol. 59, no. 1, p. 21, Jan. 2018, doi: 10.1007/s00348-017-2475-y.
[11] T. Lacassagne, S. Simoëns, M. E. Hajem, and J.-Y. Champagne, “POD analysis of oscillating grid turbulence in water and shear thinning polymer solution,” AIChE Journal, vol. 67, no. 1, p. e17044, 2020, doi: 10.1002/aic.17044.
[12] T. Lacassagne, T. Boulafentis, N. Cagney, and S. Balabani, “Modulation of elasto-inertial transitions in Taylor–Couette flow by small particles,” Journal of Fluid Mechanics, vol. 929, Dec. 2021, doi:10.1017/jfm.2021.861.
[13] S. Almani, W. Blel, E. Gadoin, and C. Gentric, “Investigation of single bubbles rising in Newtonian and non-Newtonian fluids inside a thin-gap bubble column intended for microalgae cultivation,” Chemical Engineering Research and Design, vol. 167, pp. 218–230, Mar. 2021, doi: 10.1016/j.cherd.2021.01.010.
[14] I’MTech, “Dans la turbulence des fluides complexes,” I’MTech. Accessed: May 26, 2025. [Online]. Available: https://imtech.imt.fr/2025/05/26/turbulence-dans-les-fluides-complexes/
[15] T. Lacassagne, “Experimental contributions to the study of hydrodynamics and transfers in complex fluids and flows,” HDR, Université de Lille, Lille, 2025

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 Energie et Environement (CERI EE) et plus particulièrement l'axe scientifique Energies Fluides et Transferts, qui mène des activités de recherche sur l'intensification et l'optimisation des processus et systèmes énergétiques et environementaux, mettant en jeu notamment des écoulements de fluides complexes. Le projet sera mené conjointement avec le Climate Change Cluster de l'Université Technologique de Sydney, qui travaille à apporter une compréhension approfondie des écosystèmes mondiaux de plantes aquatiques et de micro-organismes, qui sont essentiels au bien-être de la communauté mondiale, en produisant de nouvelles connaissances permettant de relever les défis liés aux interactions entre les sociétés humaines, les écosystèmes et le climat.

• Diplômé M2/Ingénieur en Mécanique des fluides, génie des procédés, matière molle ou discipline similaire.
• Apétence pour les approches expérimentales et le travail de laboratoire.
• Ouverture à la mobilité internationale: séjour de recherche de 6-10 mois prévu à l'Université Technologique de Sydney dans le cadre du projet de thèse.
• Notions en programmation et traitement de données avec Matlab/python, traitement d'image.
• Bases en rhéologie et/ou culture de micro-organismes.