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La réussite de la réalisation d’un écosystème clos artificiel passe d’abord par une bonne conception qui prend en compte le nombre des étapes, leur rôle dans le recyclage de la matière et le contrôle global du système, puis par un bon dimensionnement des opérations unitaires et leur optimisation, ainsi qu’un contrôle avancé à différents niveaux : toutes choses qui sont familières à l’ingénieur de procédé !
En réalité, on doit obtenir des informations essentiellement à deux niveaux : le niveau statique et le niveau dynamique.
Au niveau statique
Approche théorique en écoulement continu
Raisonner de façon statique ne signifie pas que tout est figé dans l’écosystème mais que l’on ne s’intéresse qu’à des solutions de régime permanent, ce qui veut dire que la matière circule entre et dans les compartiments (réacteurs, séparateurs, etc.) avec des débits molaires constants dans le temps, et que les compartiments eux-mêmes fonctionnent avec une efficacité donnée constante (l’efficacité de conversion des réactifs et substrats en produits pour un réacteur ou bioréacteur par exemple).
Ce que l’on cherche à calculer, ce sont des solutions stables, des points de fonctionnement de l’écosystème qui opérerait de façon permanente avec des débits molaires connus pour chaque constituant ou espèces chimiques qui circulent dans l’écosystème comme les minéraux, nitrates, sulfates, le dioxyde de carbone, le dioxygène, la biomasse Spiruline, etc., ou encore pour chaque flux de matière défini dans le schéma général du procédé.
Prenons l’exemple simple d’un système à deux compartiments (on dit aussi des modules) C1 et C2 et supposons que ces compartiments sont « traversés » par un courant de matière liquide et gazeux, chacun appelés L et G. On peut résumer la situation sur le schéma suivant :
On utilise les indices « e » pour préciser que le flux de matière entre dans le compartiment et « s » s’il en sort. On voit immédiatement que L1s = L2e et que G1s = G2e, donc le problème est de pouvoir calculer les débits molaires de sortie L1s, L2s, G1s, G2s, si l’on connaît (ou si l’on fixe arbitrairement à 100 moles par heure, par exemple) les débits d’entrée dans le système L1e et G1e, ainsi que la composition de ces débits en chaque constituant impliqué dans le système de transformation de la matière. Il suffit pour cela d’écrire un bilan matière sur chacun des constituants, d’abord sur le module C1 (on calcule L1s et G1s), puis sur le module C2 (on calcule L2s et G2s connaissant L2e et G2e par le calcul précédent).
Si des constituants peuvent passer de la phase liquide à la phase gazeuse dans un module, ou inversement (c’est le cas du dioxygène produit dans un photoréacteur, par exemple), on a recours à la thermodynamique pour calculer ce qui va se répartir entre les courants gaz et liquide de sortie. On peut ainsi, de proche en proche, calculer tous les débits et toutes les compositions de chaque flux de matière qui circule dans l’écosystème.
Pour illustrer ce propos, supposons que le compartiment C1 soit un photobioréacteur cultivant des Spirulines pour régénérer l’atmosphère. Si l’on connaît les flux de matière L1e et G1e qui entrent dans le photoréacteur (c’est-à-dire le débit molaire et la composition du milieu nutritif liquide avec ses minéraux, et du gaz riche en dioxyde de carbone et pauvre en dioxygène), il suffit de connaître l’équation stœchiométrique de la réaction de photosynthèse (voir Sujet 2) qui relie entre elles les proportions de chaque constituant impliqué, ainsi que l’efficacité de conversion d’un réactif clé comme le CO2 par exemple (nous supposons que les expériences ont montré que dans le photobioréacteur 80 % du dioxyde de carbone peut être converti en dioxygène), pour pouvoir écrire les bilans matière qui permettront de calculer les flux de sortie L1s et G1s.
Le bilan matière sur le CO2 dans le courant gazeux s’écrit simplement :
soit d’après nos hypothèses :
qui permet bien de calculer le flux molaire de CO2 qui sort du compartiment 1, donc du photobioréacteur (voir Sujet 4). Cette démarche s’applique à l’identique pour tous les constituants qui entrent et qui sortent des compartiments C1 et C2.
On notera que le bilan ci-dessus n’est vrai que si la matière ne s’accumule pas (positivement ou négativement) dans le compartiment au cours du temps, ce qui traduit l’hypothèse de fonctionnement en régime permanent qui est, répétons-le, à la base de ce type d’approche.
On comprend alors, en généralisant ce qui vient d’être présenté, par quelle démarche on est capable de calculer tous les flux (L1, L2, ..., Ln ; G1, G2, ..., Gn) et toutes les compositions en constituants impliqués dans le procédé de proche en proche. Malheureusement, l’exemple choisi a été simplifié à l’extrême dans la mesure où il présente un schéma linéaire. En effet, nous avons vu que si nous connaissions L1e et G1e, nous pouvions calculer facilement de proche en proche L1s = L2e, G1s = G2e, puis les sorties L2s et G2s.
Approche théorique en système recyclé
Supposons maintenant que, comme cela est très courant, le flux (ou une fraction de ce flux) G2s soit recyclé sur le compartiment C1 :
En effet, dans notre belle logique précédente, on sait que l’on peut calculer L2s à partir de L1s et donc de L1e. Mais dans ce nouveau cas, L1e = L2s ! On a introduit ici une non-linéarité par le fait qu’un flux est recyclé dans le système.
Ce problème complique considérablement la tache du calcul des flux de matière, d’autant plus que les flux recyclés sont nombreux dans le système. C’est pour cela que ces calculs ne peuvent être réalisés que par des gros logiciels, utilisés aussi dans l’industrie, et que l’on nomme « simulateurs de procédés ». Ils procèdent en « initialisant » (au hasard ou en profitant de l’expérience d’un ingénieur) le flux L1e, ce qui permet de calculer après passage dans C1 et C2 le flux L2s qui est utilisé comme nouvelle valeur de L1e pour refaire un tour de calculs, et ainsi de suite jusqu’à ce qu’on vérifie bien L1e = L2s (on dit que l’on atteint l'état stable du système par convergence).
Quand on sait que l’objectif d’un écosystème artificiel est de recycler entièrement (ou à peu près !) la matière, on comprend que tous les flux devant être recyclés, on atteint très vite une extrême complexité dans les calculs ! D’autant plus que les simulateurs de procédés calculent également les pressions, les températures par bilan thermique et qu’ils s’occupent en outre des calculs thermodynamiques entre phases.
Cette approche en régime permanent (statique) donne alors des informations extrêmement importantes sur le fonctionnement de l’écosystème, notamment sur ses potentialités à recycler correctement les principaux éléments, même si l’on sait que l’écosystème ne fonctionnera pas de cette façon, mais plutôt comme un système dynamique oscillant autour d’un ou plusieurs point d’équilibre !
Résultats du projet MELiSSA
À l’aide d’un logiciel de simulation de procédés, le comportement de l’écosystème MELiSSA a été simulé en régime permanent : on suppose pour cela qu’aucune composition ne variera dans le temps, ce qui est bien sûr faux, mais, en toute rigueur, le comportement réel de l’écosystème devrait osciller autour de ce point d’équilibre !
Pour cela, on a réalisé les bilans matière sur les principaux constituants sur chaque opération unitaire et sur chaque phase (gaz, liquide, etc.), pour étudier le comportement du système à l’équilibre.
Pour donner une idée de la complexité du problème, il faut s’imaginer que même une description la plus simplifiée possible de l’écosystème MELiSSA et de ses cinq étapes fondamentales précédemment décrites correspond en réalité à une centaine d’opérations unitaires physico-chimiques ou biologiques, environ 150 flux de matière gaz, liquide, solide dans lesquels évoluent une bonne trentaine de constituants !
Les performances que l’on obtient à partir de ces calculs dépendent beaucoup de l’efficacité supposée pour chacun des quatre compartiments biologiques majeurs pour le recyclage. À partir des informations expérimentales disponibles à ce jour, on sait que le premier compartiment (la liquéfaction des déchets) est l’étape limitante, permettant néanmoins d’espérer des performances intéressantes. Notamment, il semble que si la partie traitement des déchets et recyclage de la nourriture pose encore des problèmes (ce qui explique que l’on ne peut recycler que 75 % des éléments C, H, O, N), la régénération de l’atmosphère peut être envisagée avec une efficacité proche de 100 %.
Au niveau dynamique
Approche théorique
Il faut ensuite passer à l’étape du dimensionnement de chaque opération et à l’élaboration de leur logiciel de contrôle.
On voit ici apparaître la notion de dynamique (de temps), car pour calculer la taille optimale d’une opération de transformation de la matière (un réacteur, par exemple), il faut savoir à quelle vitesse va s’effectuer la transformation (on parle de cinétique ou de loi de vitesse) ; de même, pour contrôler efficacement le comportement global du système, il faut avoir une bonne idée du devenir de ce système si l’on change telle ou telle condition ; on parle de contrôle prédictif à partir de modèle de connaissance.
Dans ces deux cas, on peut répondre aux objectifs si l’on peut écrire des modèles mathématiques dynamiques, c’est-à-dire qui permettent de calculer l’évolution de telle ou telle opération dans le temps si l’on modifie un paramètre donné (débit, concentration, température, par exemple). Ce niveau de description est beaucoup plus difficile à atteindre que le niveau précédent et nécessite de nombreux allers-retours entre expérimentation et théorie ! Il est cependant nécessaire si l’on souhaite un jour comprendre et maîtriser les écosystèmes artificiels.
Résultats du projet MELiSSA
La modélisation dynamique de la boucle MELiSSA n’est possible que si le comportement de chaque compartiment lorsque l’on modifie ses conditions de fonctionnement est lui-même parfaitement compris et modélisé. Pour cela, plusieurs laboratoires travaillent indépendamment sur l’obtention de nombreux résultats expérimentaux que l’on compare avec les calculs réalisés à partir des modèles mathématiques. Pour fixer les idées, il faut compter dix ans de travail pour un compartiment !
Lorsque cette étape est terminée, on peut envisager de connecter entre eux deux ou plusieurs compartiments pour vérifier comment se répercutent les perturbations et s’il existe des effets de toxicité éventuels : parfois, un constituant en quantité très faible ou indétectable peut empoisonner le compartiment suivant ! Il faut également vérifier la capacité des logiciels de contrôle développés à partir des modèles à réguler le tout. L’étape ultime sera bien sûr atteinte le jour où l’on sera en mesure de fermer la boucle et où MELiSSA fonctionnera tel qu’il a été conçu très longtemps auparavant !
Actuellement, le laboratoire MELiSSA (regroupant au moins un exemplaire de chaque compartiment) qui se trouve à l’université autonome de Barcelone, en Espagne, travaille sur l’enchaînement des compartiments 2 (photohétérotrophe), 3 (nitrification) et 4 (photoautotrophe).
Le compartiment le mieux connu est sans conteste le compartiment 4, notamment le photobioréacteur dans lequel on cultive les Spirulines pour reproduire l’oxygène.
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