Microfluidique innovante pour l'optimisation des bioprocédés // Innovative microfluidic platform to understand and optimize biotech processes

Les bioréacteurs sont des systèmes multiphasiques où les transferts de matière influencent fortement les vitesses de réaction biologique. Les micro-organismes qui y évoluent sont soumis à des conditions fluctuantes (oxygène, nutriments, pH, température). Malgré ce caractère dynamique, les réponses physiologiques à l'échelle unicellulaire restent encore peu explorées. Ce projet de doctorat vise à développer des outils expérimentaux de pointe pour étudier l'adaptation microbienne et les dynamiques métaboliques à l'échelle de la cellule unique, en lien avec les procédés en bioréacteur.
Le projet se situe à l'interface de la physique et de la microbiologie, avec le développement d'une plateforme originale combinant pinces optiques holographiques (manipulation sans contact de cellules individuelles), puce microfluidique (contrôle des conditions environnementales) et fluorescence induite par laser pour mesurer localement l'oxygène, le CO₂ et le pH. Le travail expérimental s'organisera en trois axes : (i) mesure de l'activité métabolique par des techniques optiques innovantes ; (ii) suivi de la croissance et de la morphologie sous variations brusques de l'environnement ; (iii) étude des réponses dynamiques à des fluctuations périodiques mimant les gradients de bioréacteurs. Les données obtenues alimenteront des modèles de simulation développés en parallèle dans l'équipe.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Bioreactors are multiphase systems in which mass transfer between phases plays an important role in determining biological reaction rates. Microorganisms growing in such industrial bioreactors face changing conditions such as variations in oxygen availability, nutrient concentration, pH, and temperature. While industrial bioreactors operate under highly dynamic conditions, the physiological responses occurring at the single-cell level remain largely unexplored. This PhD project will develop cutting-edge experimental tools to reveal microbial adaptation and metabolic dynamics at the single-cell scale, bridging the gap between cellular physiology and bioreactor-scale processes.
You will work at the intersection of optics, microfluidics, and cell biology to develop an original platform combining holographic optical tweezers, which trap and manipulate several individual cells without contact, with a microfluidic chip that delivers controlled environmental conditions, and laser-induced fluorescence to measure oxygen, CO₂, and pH directly around living cells. Your experimental work will unfold across three interconnected phases: (i) measuring metabolic activity with innovative optical technique (ii) tracking growth & morphology under step-change environments, and (iii) probing dynamic responses by exposing single cells to periodic fluctuations mimicking real bioreactor gradients. The data you generate will directly feed into bioreactor simulation models developed in parallel by a second PhD in the group.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/10/2026
WEB : https://anr.fr/Projet-ANR-25-CE51-7100

Other public funding

ANR Financement d'Agences de financement de la recherche

Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse

468 MEGEP - Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés

Ce projet de doctorat se situe à l'interface de plusieurs disciplines : physique optique, microfluidique, mécanique des fluides, génie (bio)chimique et microbiologie. Les compétences nécessaires pourront être acquises au cours du projet, l'équipe assurant une formation à la microfabrication, aux techniques de fluorescence, au traitement d'images et à la microbiologie. Une appétence pour la programmation est indispensable, notamment pour l'acquisition de données, le traitement d'images et l'analyse de signaux, qui nécessiteront le développement régulier de scripts.
This PhD sits at a rare/unique intersection: optical physics, microfluidics, fluid mechanics, (bio)chemical engineering, and microbiology. Missing skills can be acquired: the group has the expertise to train you on microfluidic fabrication, fluorescence techniques, image processing and cell biology. A taste for coding is also essential: data acquisition, image processing, and signal analysis will all require scripting throughout the project.