Multispectral optics in complex media : theory and application to dense microalgal media in a context of mass cultivation monitoring.

par Sarah Bellini

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Jean-Michel Roger et de Ryad Bendoula.

Le jury était composé de Jean-Philippe Steyer, Eric Fouilland, Jean-Louis Meyzonnette, Fabrice Béline.

Les rapporteurs étaient Claude Amra, Jack Legrand.

  • Titre traduit

    Optique multispectral en milieux complexes : théorie et application aux milieux denses de microalgues dans le contexte du suivi et du pilotage de la culture de masse.


  • Résumé

    Les microalgues autotrophes sont une source prometteuse de biomasse pour des applications aussi variées que l'extraction de molécules, l'alimentation animale et humaine, la production énergétique ou la décontamination environnementale. La production de masse est donc en forte augmentation dans le monde. Cependant, les techniques actuelles pour caractériser l'état physiologique des cellules algales au cours de la croissance sont coûteuses en main d'œuvre et en temps, souvent basées sur du matériel de mesure générique répondant mal au cahier des charges. Elles sont inadaptées à la mesure en ligne.De nouveaux outils doivent donc être développés pour optimiser le pilotage des procédés de culture, en effectuant des mesures rapides de l'état physico-chimique des cellules. La spectroscopie visible (VIS) et proche infrarouge (NIR) se présente comme une solution pratique. De plus des travaux antérieurs ont démontrés que les propriétés spectrales d'absorption et de diffusion des cellules d'algues dans le domaine VIS-NIR sont très corrélées à leur caractéristiques chimiques (pigments) et physiques (tailles, densité des cellules). Les densités de cellules considérées en cultures denses sont très élevées (10^6-10^9 cellules/mL), rendant inévitables les phénomènes de multidiffusion. Cependant ces derniers ont été identifiés comme gênants pour l'extraction de données à partir des spectres mesurés, car ils rendent l'hypothèse de validité de la loi de Beer Lambert fausse. Dans cette thèse nous nous intéressons à l'extraction de données sur la physiologie des cellules algales à partir de mesures spectrales effectuées sur des échantillons denses, non-dilués, directement issus du milieu de culture. Notre approche se décline en plusieurs axes, correspondants aux différentes échelles de description du problème. D'abord, l'échelle de l'échantillon algal global est considérée. Nous en définissons les propriétés spectrales apparentes, et analysons le problème pratique de leur mesure. Nous avons utilisé un montage à double sphères d'intégration et développé un protocole de mesure complet, que nous décrivons. Ensuite, les propriétés spectrales linéaires intrinsèques au milieu algal sont abordées, et nous cherchons à les reliées aux propriétés apparentes de l'échantillon. Pour cela nous utilisons le formalisme de l'équation de transfert radiatif (ETR) donnant une modélisation rigoureuse des phénomènes de multidiffusion à l'œuvre dans les milieux turbides. En pratique, résoudre l'ETR ne peut se faire que par une approximation ou la simulation. Dans nos travaux nous examinons la méthode Adding-Doubling et son inverse, utilisées avec succès par d'autres équipes sur des échantillons turbides de tissus biologiques. En troisième lieu, l'échelle de description de la cellule d'algue individuelle est abordée. AlgaSim, un programme de simulation basé sur la théorie de Mie étendue, a été développé au cours de cette thèse pour modéliser les spectres d'absorption et de diffusion d'une cellule algale décrite par ses paramètres physiologiques, tels que la taille et le poids sec, les proportions des différents matériaux cellulaires, la quantité et la composition des pigments. Ainsi, les liens entre propriétés physiques et chimiques de la cellule et ses propriétés spectrales sont étudiés. Enfin, une méthode complète est proposée pour articuler toutes les échelles de description précédemment examinées. Les liens entre propriétés intrinsèques du milieu algal et les propriétés optiques individuelles des cellules sont cherchés. Les paradigmes développés aux différentes échelles sont ensuite mis bout à bout pour relier la description physiologique des cellules d'algue aux propriétés spectrales apparentes mesurées sur un échantillon donné. La méthode est testée sur des échantillons algaux réels. Les premiers résultats sont prometteurs, démontrant le potentiel opérationnel de la spectroscopie VIS-NIR pour le suivi de procédés de culture dense de microalgues.


  • Résumé

    Autotrophic microalgae are seen as a promising source of biomass for various applications such as chemicals extraction, animal and human food, energy production and environment cleaning. Consequently, the global mass production of microalgae has largely increased over the last decade. However, the current techniques used for the characterization of the algal cells all along the growth process require time-consuming sample preparation, a large amount of costly, standard instrumentation and cannot usually be performed in situ.New tools are needed to optimize the monitoring of the cultivation process by providing a faster measurement of the microalgal cells physical and chemical states. For this purpose, utilizing visible (VIS) and near infrared (NIR) spectroscopy is looked as a promising solution. Moreover, previous studies demonstrated that the spectral absorption and scattering properties of microalgal suspensions in the VIS-NIR domain depend heavily on the chemical characteristics (pigments) and physical characteristics of the cells (size, density of the cells). In a context of cultivation process, cell density in the culture medium is very high (10^6-10^9 cell/mL) which makes the multi-scattering phenomena significant. However, recent studies have showed that the data extraction from spectroscopic measurements performed on turbid samples is highly complicated by the influence of the scattering phenomena on the spectra, making the classical processing methods based on the assumption of Beer law irrelevant. This thesis addresses the issue of retrieving information about the physiological state of microalgal cells from spectral measurements performed on non-diluted, dense bulk culture media. For this purpose, our approach includes successive guidelines, corresponding to different scales of description. First, the scale of the bulk algal aliquot is considered: the apparent spectral properties are defined, and the practical issue of measuring them with an adapted setup is investigated. In particular, a double-integrating sphere setup, as well as a complete measurement protocol are implemented. Second, the intrinsic linear spectral properties of the dense algal medium are defined, and the links between the intrinsic and apparent spectral properties are investigated. The formalism of the radiative transport equation (RTE) is used for this purpose, as it rigorously models the physical phenomena due to multiple scattering. Solving the RTE must be implemented in practice with an approximation or simulation method. In this work, we investigate in particular the Adding-Doubling method and its inverse, which have been proved to be adapted to the case of highly turbid organic tissues and materials. Third, the scale of an individual algal cell is considered. In this thesis we have developed a simulation program called AlgaSim based of the extended Mie theory, which makes it possible to simulate the spectral absorption and scattering properties of an algal cell described by its physiological characteristics, such as its mean size and dry weight, proportions of different cell materials and pigment quantity and composition. The links between the chemical and physical properties of an algal cell and its spectral properties are thus investigated.Finally, a complete method is proposed to link all the scales of description. In particular, the links between the intrinsic spectral properties of an algal medium and the individual properties of the constitutive cells are considered. By organizing all the paradigms previously investigated, it is possible to implement a complete model linking the physiological description of the constitutive algal cells to the apparent spectral properties measured on a dense culture sample. The method and its inverse are tested on real algal samples. They show promising primary results, proving the operational potential of VIS-NIR spectroscopy for the monitoring of dense algal cultures.


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