Optimisation en temps réel de la production de microalgues en photobioréacteur par la commande extrémale

RÉSUMÉ: Les microalgues sont une bioressource des plus prometteuses pour la production de diverses substances, dont plusieurs à valeur ajoutée. Elles sont notamment exploitées (ou utilisées) pour obtenir des produits biopharmaceutiques, des biomatériaux et des biocarburants. Toutefois, malgré l'intérêt, l'état actuel de la technologie n'est pas encore assez mature pour être implantée de façon rentable à l'échelle industrielle. De plus, les implantations actuelles existantes (p.ex. chez NutrOcéan) impliquent encore l'opération manuelle de nombreux aspects de la production. Ces derniers engendrent des coûts de maind'oeuvre importants, sans compter qu'il est souvent fort difficile de trouver et de recruter le personnel spécialisé nécessaire à de telles opérations. D'autre part, les microalgues sont des micro-organismes vivants, et leur utilisation dans le cadre d'un procédé industriel nécessite une certaine maîtrise de leur comportement, ce qui implique l'utilisation de stratégies d'automatisation plus avancées. La commande et l'optimisation en temps réel des bioprocédés sont reconnues comme étant des avenues à préconiser pour améliorer et stabiliser les conditions environnementales dans lesquelles évoluent les microorganismes (maximise la productivité de tels systèmes). Toutefois, un manque de connaissances en lien avec le bioprocédé à opérer peut venir limiter les possibilités : il devient donc intéressant de développer de nouvelles techniques de contrôle et d'optimisation en temps réel plus sophistiquées, adaptées à cette réalité. Le présent projet se décompose en trois objectifs principaux. Premièrement, mettre au point un simulateur qui permet de bien représenter le comportement de la culture de Nannochloropsis oculata en photobioréacteur. Le second objectif est l'implantation (d'abord en simulation) de la commande extrémale (une technique d'optimisation en temps réel) adaptée à un manque de connaissances précises en lien avec la variable à optimiser. Le réglage des paramètres de l'algorithme sont obtenus en partie en suivant une méthodologie présentée dans Deschênes et St-Onge (2013) et en partie par essais-erreurs avec le procédé modélisé en simulation. Cette information est par la suite utilisée pour l'application de la commande extrémale sur le procédé réel, ce qui constitue le troisième objectif. La situation considérée dans un premier temps est la maximisation du taux de croissance en récolte semicontinue par la modulation du pH de la culture. Dans un deuxième temps, cette même stratégie sera utilisée pour maximiser la productivité du système en mode de production continu, en modulant le taux de dilution (ou indirectement, le débit de récolte). Les deux premiers objectifs sont atteints, tandis que le troisième l'est partiellement: certains tests sur le procédé réel n'ont pu être réalisés avec succès. -- Mots clés : micro algues, photobioréacteur, bioprocédés, contrôle, optimisation en temps réel, commande extrémale, modélisation, simulation, biotechnologies. --ABSTRACT: Microalgae is a most promising bioresource for the production of high valued substances. Among other usages, they are even used to obtain biopharmaceutical products, biomaterials and biofuels. Despite their numerous advantages, the actual state of technology isn't ready for implementation at the industrial scale, due to cost reasons. Also, actual methods for operating such production systems (e.g. at the NutrOcean company) still requires various manual operations, leading to high labor needs and costs. Furthermore, finding and recruiting the necessary highly specialized personnel is often most difficult. Process automation is an avenue that should be explored to address these issues. However, microalgae are living organisms, and their use in an industrial process implies a good control over their behavior, which requires a higher level of knowledge and specialized automation strategies. Automation, through a tighter control of the environmental conditions in which the microorganisms evolve, is known to help in maximising the productivity of bioprocesses. Typical lack of knowledge about the biological principles behind system productivity often hinders performances in practice. Thus, it is important to develop and validate new sophisticated control and real-time optimisation techniques adapted to this reality. This project has three main objectives. The first is to develop a simulator that should predict the behavior of Nannoehloropsis oculata in photobioreactors. The second is to first implement the extremum seeking control strategy on the simulator. The tuning of the parameters of the extremum seeking control strategy will be partially based on a methodology presented by Deschênes et St-Onge (2013) and a trial-and-error approach using the simulator. These results will then be used for the implementation of the algorithm on the real pbysical system, whicb is the third objective. Two different situations will be considered: the first will be the maximisation of the growtb rate in semi-continuous mode througb pH modulation. The second situation will be the maximization of the system productivity in continuous mode through modulation of the dilution rate (and indirectly the output flow rate from the bioreactor). -- Keywords: microalgae, photobioreactor, control theory, real-time optimization, extremum seeking control, bioprocess, modeling, simulation, biotechnology