Simulation radiative de photobioreacteurs

Un photobioréacteur : Qu’est-ce que c’est?

Les photobioréacteurs et plus généralement les procédés photo-réactifs solaires parmi lesquels on trouve également les photoréacteurs et les cellules photo-électrochimiques sont des technologies consistant en la mise en œuvre de la réaction de photosynthèse (naturelle ou artificielle) qui pourraient jouer un rôle majeur, non pas encore lors de la transition énergétique, mais à terme comme alternative à l’épuisement des ressources fossiles. En effet, ils permettent la production renouvelable de molécules plateformes pour la chimie verte, de protéines ou de molécules à forte valeur ajoutée, ainsi que la production de vecteurs énergétiques (biomasse, hydrogène, méthanol, biocarburants 3G,…). Leur développement doit passer par des avancées majeures aussi bien sur le plan fondamental, notamment en transfert de rayonnement (propagation du rayonnement solaire), que sur les plans scientifique et technique en génie des procédés.

Le projet ALGUE

Un des objectifs de l’optimisation des procédés photobioréactifs est d’augmenter la production de biomasse par unité de volume. En augmentant la quantité de biomasse dans le réacteur, apporter la lumière de façon homogène dans tout le réacteur devient compliqué.

Ainsi la conception et l’optimisation de procédés photobioréactifs nécessite des outils méthodologiques spécifiques pour comprendre la propagation du rayonnement. La modélisation et la simulation du rayonnement peut se découper en deux grandes parties :

  • les propriétés de propagation du milieu.
  • le transfert ou transport du rayonnement.

Le projet ALGUE porté par les laboratoires RAPSODEE (Albi), LAPLACE (Toulouse) et l’Institut Pascal (Clermont-Ferrand) et financé par l’IDEX Toulouse, s’attaque au verrou de la modélisation des propriétés radiatives du milieu. Compte-tenu de la diversité des micro-algues il est très difficile de produire des bases de données issues d’un processus expérimental. Le recours à la modélisation et à la simulation numérique est indispensable.

Le projet ALGUE s’attaque en particulier à la prise en compte des géométries réelles des micro-algues. Les propriétés radiatives (coefficient d’absorption, coefficient de diffusion et fonction de phase) s’obtiennent par la résolution des équations de l’électromagnétisme. Or la résolution de ces équations est très difficile pour des géométries quelconques et nécessite généralement d’approximer la forme des micro-algues par des formes simples comme des sphères ou des cylindres.

Le code SCHIFF

Pour répondre à cette problématique, les chercheurs du projet ALGUE ont proposé toute une chaîne de modélisation et de simulation des propriétés radiatives de soft particules. Cette réponse est basée sur la résolution des équations de Maxwell dans le cadre de l’approximation de Schiff.

L’évaluation des propriétés radiatives dans le cadre de l’approximation de Schiff (Dauchet 2015 et Charon 2016) se prête bien à une mise-en-oeuvre par la méthodologie Monte-Carlo.

Méso-Star a développé dans le cadre du projet ALGUE le code de calcul Schiff. Ce code permet d’évaluer les propriétés radiatives pour des particules avec une géométrie complexe telle que l’hélicoïde qui représente la spiruline et la supershape qui permet de représenter bon nombre de micro-algues.