Modélisation et commande robuste des systèmes biologiques : exemple de la production d’acide lactique en fermenteur industriel

Modeling and robust control of biological systems : example of lactic acid production in industrial fermenter

• Auteur / Autrice : Karen Vanessa Gonzalez
• Direction : Dominique Pareau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 25/09/2015
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Châtenay-Malabry, Hauts de Seine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Michel Fick
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Pareau, Michel Fick, Francis Duchiron, Francis Courtois, Didier Dumur, Filipa Lopes, Sihem Tebbani, Dan Selisteanu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francis Duchiron, Francis Courtois

Mots clés

Mots clés contrôlés

Farine de blé

Lactique, Acide

Commande de processus biotechnologiques

Mots clés libres

Bioprocédé

Acide lactique

Farine de blé

Estimateur d’état

Commande adaptative

Bioprocess

Lactic acid

Wheat flour

State estimator

Adaptive control

Résumé

Cette thèse de doctorat porte sur l’optimisation du bioprocédé de production d’acide lactique à partir de la farine de blé. L'acide lactique s’avère en effet de plus en plus attractif pour la production de PLA (acide poly lactique), un bio polymère, d’autant plus que différentes matières premières peu coûteuses comme la farine de blé sont désormais utilisées comme sources de carbone pour sa production. Cette thèse comprend trois parties principales. Une première partie propose pour l’optimisation du procédé de transformation du blé un schéma innovant composé de trois étapes successives : une liquéfaction, suivi d’une étape de saccharification et hydrolyse des protéines simultanées (SSPH) et une étape finale de saccharification, hydrolyse des protéines et fermentation simultanées (SSPHF). La deuxième partie s’intéresse à la modélisation de l’étape SSPHF (étape limitante) dans un bioréacteur continu. La détermination des paramètres du modèle ainsi que leur validation sont réalisées à l’aide de campagnes d’essais sur un bioréacteur de 5 L.Enfin, la dernière partie développe la mise en oeuvre de stratégies de commande permettant de maintenir le bioprocédé à son point optimal de fonctionnement. Pour ce faire, du fait de l’absence de capteurs pour la mesure en temps réel des concentrations des variables clé dans le bioréacteur, des estimateurs de ces concentrations ainsi que du taux de production en acide lactique sont tout d’abord élaborés. Des stratégies de commande régulant la concentration d’acide lactique à sa valeur optimale sont ensuite synthétisées et comparées en simulation. Une commande adaptative combinant une commande linéarisante par retour d’état et un estimateur du taux de production en acide lactique est finalement retenue et validée expérimentalement sur un réacteur instrumenté. Cette dernière s’est avérée robuste vis-à-vis des erreurs de modélisation et a permis lors des expériences de doubler la productivité de l’acide lactique.

This PhD thesis focuses on the optimization of the bioprocess of lactic acid production from wheat flour. Indeed, lactic acid has received much attention for the production of PLA (Poly Lactic Acid), a biopolymer, since different inexpensive raw material such as wheat flour are now used as carbon source for its production. This work was performed in three main steps. In the first step, an innovative wheat transformation process is proposed, whose main steps are the following: a liquefaction followed by a simultaneous saccharification, proteins hydrolysis (SSPH) and and a final simultaneous saccharification, proteins hydrolysis and fermentation (SSPHF). Secondly, the modeling of the SSPHF (limiting step) in a continuous bioreactor is considered. The determination and validation of model parameters is performed by means of experimental campaigns in a 5 L bioreactor.In the last step, the development of control strategies to maintain the process at its optimal operating point is considered. To do so, due to the absence of sensors for real-time measurement of the concentrations of key variables of the bioreactor, estimators of these concentrations and of the lactic acid production rate are first developed. Then, control strategies for regulating the lactic acid concentration at its optimal value are designed and compared in simulation. An adaptive control combining a state feedback linearizing control and an estimator of the lactic acid production rate is finally chosen to be experimentally validated on an instrumented reactor. This strategy showed good robustness features with respect to modeling mismatches and was able during experiments to increase twice the lactic acid productivity.