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Ce sujet aborde la complexité de la réalité physique et de l’affronter. Il entre donc en terminale S dans le thème « Ordre et désordre » pour lequel on peut consulter des axes de réflexion et pistes de travail (PDF, 41 ko) et une sélection documentaire sur le site du CNDP.
Ses aspects biologiques sont évoqués dans « Présentation » et détaillés dans « Approfondissement ». Mais, pour un ingénieur, d’autres difficultés s’opposent à son projet. Elles relèvent du fonctionnement même d’un système complexe, déjà abordé dans « Approfondissement-Modélisation ».
Ce sujet apporte donc des éléments déterminants pour des élèves de terminale S en quête de définition d’un projet professionnel personnel. Elle peut en effet aider à se représenter les spécificités du métier d’ingénieur, producteur de savoirs techniques, par rapport à celui de chercheur, producteur de savoirs théoriques.
Formalisation du système Biorat
Les aspects scientifiques du projet sont étudiés de manière théorique dans « Approfondissement », rubrique « Modélisation des systèmes clos... ». On peut y distinguer les aspects statiques ou de régime permanent (on cherche le ou les points d’équilibre du système), et les aspects dynamiques qui dépendent du temps.
Aspects statiques
Les deux principaux problèmes sont le dimensionnement du photoréacteur (cinétique) et l’estimation des quotients respiratoire et photosynthétique pour chaque compartiment (stœchiométrie). En effet, il est impératif de pouvoir garantir que pour un nombre donné de souris dans le compartiment consommateur, on sera en mesure de répondre à la demande en dioxygène, quelle qu’elle soit. Pour cela, il faut calculer, à partir d’un modèle mathématique qui donne une relation entre vitesse de production de dioxygène, intensité lumineuse incidente, géométrie du réacteur et concentration en biomasse dans le photoréacteur, le volume de culture qui permettra de répondre dans le pire des cas à la demande des souris en moles de dioxygène par heure (en pratique, on prend en plus une marge de sécurité). Cette approche conduit au dimensionnement du photobioréacteur, une fois que l’on a choisi le nombre de souris qui constitueront le compartiment consommateur.
Il faut ensuite regarder si les deux équations stœchiométriques s’équilibrent. On a vu, par exemple, dans la partie traitant des photobioréacteurs que l’on pouvait résumer l’équation stœchiométrique de synthèse de biomasse Spiruline et de production de dioxygène par :
Si l’on définit le quotient photosynthétique  comme étant le rapport de la vitesse de production de dioxygène sur la vitesse de consommation de dioxyde de carbone :
on trouve immédiatement d’après la stœchiométrie . En faisant la même analyse pour le compartiment consommateur, on définit le quotient respiratoire :
Dans la mesure où les vitesses de production et de consommation (à la fois pour le dioxygène et le dioxyde de carbone) apparaissent respectivement au numérateur et au dénominateur des deux rapports, il est logique que la condition de stabilité dans le temps de l’écosystème limité aux échanges gazeux s’écrive (en affectant un « + » pour une production et un « - » pour la consommation) :
En effet, si tel n’est pas le cas, le contrôle de la teneur de l’un des deux gaz entraînera inévitablement une dérive sur l’autre gaz. Par exemple, si  , et que l’on contrôle , on voit facilement que dans la mesure où  , on aura accumulation de dioxyde de carbone dans le système ; si  , le raisonnement inverse conduit à prévoir une diminution en dioxyde de carbone.
C’est ce genre de considérations cinétiques et stœchiométriques (certes plus compliquées en raison du très grand nombre d’espèces impliquées) qui a causé la perte du projet américain BIOSPHERE II, qui n’a jamais pu s’équilibrer avec une diminution constante de la teneur en dioxygène et une augmentation constante de la teneur en dioxyde de carbone dans la « sphère ».
En pratique, si le quotient respiratoire des souris est très variable en fonction de leur activité, la moyenne se situe environ vers  . On a donc  .
Ce résultat est supérieur à 1, ce qui prouve que si l’on contrôle la teneur en dioxygène dans l’atmosphère du compartiment consommateur, on aura inexorablement petit à petit une augmentation de dioxyde de carbone dans cette même atmosphère !
Pour cette raison, toutes les expériences qui ont été tentées n’ont pu être maintenues longtemps, en raison d’une teneur en dioxyde de carbone dans l’atmosphère qui augmente jusqu’à devenir dangereuse pour la santé du « consommateur ». Par chance pour le projet Biorat, le fait que Spirulina platensis puisse être cultivée à des pH alcalins (entre 8 et 10) s’est avéré ici prépondérant. En effet, à pH basique, le dioxyde de carbone de l’air qui traverse le photobioréacteur est absorbé efficacement en phase liquide où il est transformé en ions bicarbonates et en ions carbonates. En clair, la thermodynamique (équilibre du dioxyde de carbone entre phases gaz et liquide et équilibres chimiques en fonction du pH) joue en notre faveur !
Ainsi, il a été calculé que si l’on contrôlait le pH à 10 dans le photoréacteur, la teneur en dioxyde de carbone dans l’atmosphère resterait stable et égale à environ 0,15 %, ce qui est parfaitement admissible, même pour des humains ! Cela ne veut aucunement dire que l’on a résolu le problème du cycle du dioxyde de carbone, mais qu’au lieu de l’accumuler en phase gazeuse, on l’accumulera dans la phase liquide du bioréacteur, ce qui est nettement moins problématique. La résolution complète de ce problème ne sera possible que si l’on trouve un moyen de contrôler la stœchiométrie de production du dioxygène par les Spirulines pour l’adapter à la stœchiométrie de consommation de ce même dioxygène par les souris !
Aspects dynamiques
Les deux points principaux, également importants, sont : la vitesse de récupération du dioxygène à partir de la phase liquide du photobioréacteur où il est produit, et le logiciel de contrôle de l’intensité lumineuse incidente sur ce même réacteur (qui va déterminer la quantité de dioxygène produit). En effet, si l’on veut éviter de fortes variations de la teneur en dioxygène dans le compartiment consommateur (l’objectif avait été fixé à moins de 1 % de variation), et ceci quelle que soit son activité, il faut être sûr de pouvoir mobiliser rapidement le dioxygène produit par photosynthèse au sein du bioréacteur. Ce dioxygène doit donc passer de la phase liquide où il est produit à la phase gazeuse, puis être véhiculé rapidement vers le compartiment consommateur ; ce qui met donc en jeu deux constantes de temps que l’on souhaite les plus rapides possible.
On peut agir sur la première constante de temps caractérisant la vitesse de passage du liquide vers le gaz, en augmentant le plus possible (c’est un problème de conception technologique) la surface d’échange entre le gaz et le liquide dans le réacteur (la surface de toutes les bulles que l’on génère). L’augmentation de la deuxième constante de temps s’obtient très facilement en diminuant le plus possible le temps de séjour du gaz entre le photobioréacteur et le compartiment consommateur (on diminue le volume mort ou l’on augmente le débit d’air).
Enfin, pour contrôler efficacement l’intensité lumineuse incidente sur le photoréacteur au gré des besoins en dioxygène des souris, il est hors de question d’utiliser de simples régulateurs tels que ceux que l’on trouve dans l’industrie. On utilise une approche par contrôle prédictif à base de modèle mathématique. Les mêmes modèles qui ont déjà servi pour le dimensionnement du photobioréacteur trouvent ici une deuxième utilisation en conditions dynamiques. Grâce à un logiciel, le système de régulation peut en quelque sorte « calculer » en une fraction de seconde le proche avenir de l’écosystème lorsqu’une modification de comportement l’écarte de son état stable, permettant ainsi de faire le meilleur choix possible pour la nouvelle valeur de l’intensité lumineuse à utiliser.
Contraintes techniques
Si le schéma de principe du projet Biorat présente une simplicité enfantine, la réalisation technique de l’expérience s’est avérée être déjà très délicate !
La mise en circulation de boucles fermées de fluides (gaz ou liquides) n’est jamais simple et pose un problème fondamental de découplage des débits et des pressions : une pompe en boucle fermée impose sa pression d’aspiration et de refoulement, le problème principal est alors de trouver un système pour ne pas mettre le compartiment consommateur sous vide !
Si l’on ajoute à cela qu’il faut être capable de contrôler dans le compartiment consommateur la pression et l’humidité (l’air traversant le photoréacteur se charge d’humidité), qu’il faut installer les capteurs de dioxygène et de dioxyde de carbone, qu’il faut éviter les condensations d’eau intempestives dans le circuit de gaz, qu’il faut être sûr de sa parfaite étanchéité, de sa stérilisation avant et après passage dans le compartiment consommateur ; si l’on tient compte enfin qu’il faut implanter des régulations de pH et de température sur la boucle liquide du photobioréacteur, on ne voit qu’un échantillon des problèmes techniques à surmonter...
Pour passer d’un concept simple à une réalisation technique opérationnelle, il y a beaucoup de travail scientifique et d’ingénierie : en pratique, cette phase a duré 2 ans !
Un dernier problème à résoudre, et non des moindres, est l’utilisation d’un principe de photoréacteur fonctionnel dans l’espace en microgravité (voir sujet 3 « Les problèmes techniques liés à la microgravité ») ou absence de pesanteur. En effet, le projet Biorat a intégré cet aspect dès sa phase de développement terrestre.
En microgravité, en l’absence des forces de pesanteur responsables de la séparation naturelle (sur la Terre) des phases gaz et liquide, il est impossible d’obtenir de bonnes conditions d’échange gaz-liquide en injectant tout simplement le gaz à travers le liquide dans le photoréacteur. On ne peut plus espérer alors créer des surfaces d’échange suffisantes pour la récupération rapide du dioxygène produit. On utilise alors une astuce qui consiste à faire tourner le réacteur (comme un tambour de machine à laver) et l’on utilise la force centrifuge ainsi créée pour reproduire une gravité artificielle qui « colle » le biofilm liquide sur les parois du réacteur cylindrique. Le gaz est alors injecté à la base de ce biofilm grâce à des petits frittés qui équipent l’extrémité des pales tournantes, et récupéré au centre du réacteur.
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