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Laboratoire de Biotechnologie de l'Environnement

Thèmes de recherche

Digestion anaérobie voie sèche de déchets solides

La digestion anaérobie en voie sèche est particulièrement adaptée pour la valorisation et le traitement des déchets contenant de faibles quantités d’eau (résidus agricoles, fumiers, fraction fermentescible des ordures ménagères…). Cependant, le fonctionnement à une forte teneur en solides entraîne des limitations biologiques (cinétiques, inhibitions, …) et physiques (rhéologie, transfert de matière, …) dans les digesteurs.

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Prétraitement physico chimiques et biologiques des résidus solides

La bioconversion des résidus solides peut être limitée par la faible accessibilité des composés fermentescibles. Nous étudions le couplage de la méthanisation et de la fermention avec des traitements physico-chimiques et biologiques. Les travaux de recherche ont pour objectifs d’améliorer le rendement en biogaz ou hydrogène et métabolites fermentaires de substrats variés tels que la biomasse lignocellulosique, les boues, les algues, les sous-produits animaux et les lisiers et fumiers.

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Lors du traitement et de la valorisation des résidus organiques, les produits résiduaires organiques générés doivent répondre à des critères de qualité agronomique incluant efficacité et innocuité. Les bioprocédés doivent donc être conçus en fonction des antagonismes entre les services attendus à la recherche d'un compromis. Trouver un compromis entre valorisation agronomique et énergétique, entre autres services rendus, passe par la modélisation et le contrôle des procédés de traitement des résidus organiques afin de mieux concevoir ces derniers, de les adapter aux besoins en aval et de penser à des filières innovantes. 

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Bio-méthanation

La biométhanation permet la conversion d’hydrogène et de dioxyde de carbone ou de monoxyde de carbone en méthane. Cette bioconversion peut présenter une brique technologique intéressante dans le cas des filières de traitement de biomasses et résidus organiques et des filières de production d’énergie renouvelable. Des travaux de recherche sont nécessaires pour améliorer la compréhension des processus clefs afin d’envisager une optimisation du procédé de biométhanation.  

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Valorisation matière des sous-produits de l'industrie agro-alimentaire

Valorisation optimale des sous-produits de l’industrie agro-alimentaire, à travers l’adaptation des prétraitements utilisés pour améliorer la biodégradabilité des biomasses et des résidus agro-alimentaires vers l’extraction de molécules à haute valeur ajoutée avant la production de bioénergie.

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Biohydrogène et biomolécules

En complément des procédés de méthanisation, les procédés fermentaires apportent une plus-value aux filières de valorisation de la matière organique, sous forme de biohydrogène et/ou de biomolécules d’intérêt industriel. Les recherches menées sur ce thème portent sur le choix des meilleurs intrants et leur pré-traitement, l’optimisation des bioprocédés, et leur intégration dans un cadre plus global de bioraffinerie environnementale.

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Instrumentation et controle des bioprocédés et des écosystèmes microbiens

Sous certaines conditions, notamment lorsque l'on cherche à en optimiser le fonctionnement, les bioprocédés présentent des risques de déstabilisation qui nécessitent la mise en place de lois de commande. La problématique scientifique concerne est le contrôle (éventuellement "optimal") de systèmes dynamiques - quelquefois de grande dimension - incertains, partiellement observés, non linéaires, non stationnaires et/ou soumis à des perturbations.

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Mesure et ingénierie de la diversité microbienne

La plupart des bioprocédés environnementaux sont gouvernés par des micro-organismes. Les communautés microbiennes sont généralement très diverses avec plusieurs centaines d’espèces en interaction, et hautement dynamique car on observe une importante redondance fonctionnelle. L’objectif des recherches menées au laboratoire est de pouvoir mieux caractériser (mesures appropriés de la diversité), maitriser (écosystèmes artificiels, simplifiés ou synthétiques), et contrôler activement le devenir des communautés (ingénierie des interactions microbiennes) pour catalyser des bioconversions d’intérêt.

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Biomimétisme

Les étonnantes performances des écosystèmes microbiens pour transformer et recycler la biomasse dans un environnement durable sont la résultante de la coévolution d’un biotope (un environnement, un procédé) et de sa biocénose (un microbiote). Cette symbiose s’est construite pendant des millions d’années grâce à des milliards d’essais. Notre approche biomimétique cherche à utiliser cette ‘optimisation’ et à s’inspirer des ‘résultats’ de la nature en termes d’observations, de procédés, de microbiotes, d’interactions ou d’environnements.  

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Ingénierie des interactions des écosystèmes microbiens

La fermentation ou la méthanisation des substrats organiques implique l'activité et l'interaction d'une large palette de microorganismes. La plupart du temps, c'est la disponibilité d'un inoculum qui détermine son usage dans un bioprocédé, mais pas du point de vue de sa pertinence fonctionnelle. Nous travaillons à déterminer les principes écologiques qui permettraient de prédire la pertinence d'une communauté microbienne à dégrader un substrat donné.

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Modélisation

Les travaux du LBE dans ce domaine visent:

  • à développer des modèles pour la simulation et pour le contrôle et l’optimisation qui requièrent des modèles de nature différente
  • à appliquer des concepts tels que la thermodynamique pour mieux décrire la croissance des écosystèmes
  • à l’utilisation de modèles déterministes et stochastiques pour la modélisation des phénomènes de diauxie pour la bioraffinerie environnementale
  • à l’étude explicite des interactions entre toutes les composantes des écosystèmes microbiens 
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Elimination des micropolluants organiques

Les eaux usées et les déchets organiques tels que les boues, les fumiers, les biodéchets contiennent une grande diversité de micropolluants organiques. Nous avons développé des méthodes analytiques afin de (i) mieux comprendre et modéliser leur devenir au cours du traitement des eaux usées et des déchets solides (échelle laboratoire et industrielle) grâce à l’évaluation de leur biodisponibilité et (ii) réduire leur impact sur les écosystèmes récepteurs.

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Evaluation environnementale

L’évaluation des impacts et bénéfices vis-à-vis de l’environnement est un élément de premier plan pour la bioraffinerie environnementale. Intégrer l’ensemble de la filière mise-en jeu, de l’amont à l’aval, se fait via l’Analyse du Cycle de Vie. C’est dans cet optique que le LBE met en œuvre cette approche à travers différents projets de recherche (procédés de dépollution, filières de valorisation de biomasses algales...) et contribue aux développements méthodologiques de ce cadre conceptuel, pour mieux caractériser les impacts sur l’environnement des activités humaines.

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Bioaérosols

Lors du traitement et de la valorisation des résidus des activités humaines, des émissions dans l’atmosphère ont lieu, notamment lors de la manipulation des intrants et des déchets, au cours de certains procédés de traitement biologiques (méthanisation, compostage, traitement des eaux usées par les microalgues) et lors de l’épandage des produits résiduaires traités. La composante microbienne de ces aérosols est mal caractérisée.

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Contaminants microbiologiques

Les recherches menées au LBE concernent la survie et la dissémination des bactéries pathogènes sur les filières de traitement et de valorisation des résidus issus des activités humaines. L’objectif des recherches est d’améliorer la gestion du risque microbiologique sur ces filières en apportant de nouvelles connaissances sur les voies de dissémination sous-évaluées comme celles par le vecteur ‘air’ et sur les déterminants de la survie des bactéries pathogènes dans ces écosystèmes. Nous pensons que dans ces écosystèmes microbiens complexes, la pression biotique (prédation par des protozoaire et/ou des virus) est le facteur clef de survie des micro-organismes pathogènes ou indésirables.

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Photogranules

Les cyanobactéries jouent un rôle majeur dans les cycles biogéochimiques sur terre. Elles sont en passe de devenir aussi des acteurs clé pour des procédés biotechnologiques comme le traitement des eaux usées grâce à leur capacité à former des granules phototrophes produisant de l'oxygène. Au laboratoire, nous travaillons à optimiser la photogranulation en pilotant les conditions favorisant ce phénomène.

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Systèmes bioélectrochimiques microbiens et électro-fermentation

Les systèmes bio-électrochimiques microbiens sont des procédés électrochimiques dans lesquels des microorganismes échangent des électrons avec une électrode pour catalyser des réactions d’intérêt. Nous les utilisons comme modèles d’étude des interactions microbiennes et pour le développement de stratégies d’éco-ingénierie des écosystèmes microbiens. Un développement récent de cette thématique est l’électro-fermentation dans laquelle des électrodes polarisées sont utilisées pour orienter et contrôler des réactions de fermentation.

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Couplage des microalgues aux effluents de fermentation

La production de microalgues sur les effluents de fermentation des déchets est une approche prometteuse de la bioraffinerie environnementale dans laquelle une digestion partielle des déchets organiques par les bactéries le rend disponible aux microalgues sous forme d'acides gras volatils. Comme il est trop coûteux de stériliser les effluents, les bactéries de fermentation restent dans le système. La recherche sur ce sujet vise à révéler i) comment les principaux substrats dans les effluents sont utilisés par les algues et ii) la signification des interactions algues / bactéries dans les effluents.

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Systèmes d'information

Le LBE a  développé plusieurs systèmes d'information:

  • SILEX-LBE: suivi en ligne de procédés de dégradation par voie sèche ou liquide en conditions anaérobies et de procédés de production de micro-algues
  • ChemFlow: système d'information pédagogique dédié à la chimiométrie
  • TyPol: typologie des micropolluants permettant de classer les contaminants organiques selon des propriétés d’intérêt environnementales et des caractéristiques moléculaires
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Réutilisation des eaux usées

La réutilisation des eaux usées permet de de compenser la baisse des prélèvements directs en eau de surface pour l’agriculture et l’industrie si tant est que l’on soit capable d’en garantir l’innocuité sanitaire et environnementale. Le LBE travaille d'une part sur le devenir des micropolluants organiques et des contaminants microbiologiques lors du traitement et lors de l'utilisation de l'eau traitée en irrigation, et d'autre part à l'optimisation de la filière par des outils de modélisation.

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