Encapsulation multicouche de cellules par un dispositif de centrifugation

L’encapsulation de cellules dans des bio-polymères est un domaine en pleine expansion pour la bioproduction (maturation d’organoïdes ou sphéroïdes, criblage de médicaments, thérapies cellulaires et la bio-ingénierie). Cette thèse s’inscrit dans ces domaines d’application à travers l’encapsulation multicouche de cellules dans des biopolymères à large gamme de viscosité.
La couche interne (cœur) offre un environnement plus favorable à la maturation et survie des cellules ou organoïdes et la couche externe assure une protection (coque) mécanique et une barrière filtrante contre les agents pathogènes. Chargée d’agents biologiques sélectionnés, elle permet une interaction contrôlée avec les cellules du cœur de la capsule.
L’objectif de cette thèse est de développer une buse d’éjection innovante pour former des microcapsules multicouches à haute fréquence, par force centrifuge, en utilisant une centrifugeuse de laboratoire.
Cette nouvelle thèse s’inscrit dans la continuité d’une thèse terminée en 2023 qui a permis d’étudier, de caractériser en détails et de développer un modèle prédictif pour la génération de microcapsules monocouches uniquement par force centrifuge.
Les mécanismes de formation et d’éjection des capsules multicouches sont complexes. Ils font intervenir les propriétés rhéologiques du bio-polymère, la force centrifuge, la tension de surface et les interfaces. L’architecture de la buse d’éjection devra prendre en compte ces propriétés. Un premier volet de cette thèse sera de mieux comprendre les mécanismes de formation multicouche et d’éjection des microcapsules en fonction de la géométrie de la buse d’éjection sélectionné et ainsi pouvoir prédire et contrôler cette formation en fonction des propriétés rhéologiques du/des bio-polymère(s). Un second volet sera le développement d’un système automatisé permettant la production aseptique des capsules. Enfin, une validation biologique permettra de valider la technologie développée. Pour répondre aux objectifs de ce sujet d’étude, le candidat devra dans un premier temps mener une étude analytique et numérique, dessiner les buses d’éjection et s’appuyer sur le savoir-faire du laboratoire pour les fabriquer. Il fera des tests fluidiques sur des maquettes et optimiser le design afin de concevoir et tester un prototype de formation de microcapsules.
Le candidat doit avoir une formation en physique, en ingénierie et en mécanique des fluides avec un talent particulier pour les approches expérimentales. Une première expérience en microfluidique / biologie serait un atout.

Production de microalgues riches en amidon sur effluents

Les microalgues et les cyanobactéries présentent la capacité naturelle de transformer le CO2 par photosynthèse en biomasse valorisable. Ces microorganismes à croissance rapide sont capables de produire deux grands types de composés de réserve, les lipides et les glucides. Le principal glucide produit par les microalgues vertes est l’amidon qui peut atteindre des teneurs de plus de 80% de la masse sèche des microalgues. Il peut par la suite être transformé en bioplastique ou fermenté en bioéthanol.
Malgré de fortes productivités, les coûts de production de l’amidon nécessitent d’être réduits pour rendre la production de bioplastique ou de bioéthanol viable économiquement. L’une des options consiste à utiliser des effluents comme support de culture des microalgues et ainsi réduire les coûts d’intrants.
L’objectif de la thèse sera d’optimiser la production d’amidon de microalgues sur divers effluents. Pour cela, des stratégies de production de microalgues riches en amidon seront identifiées pour être compatibles avec leur culture sur effluents.
Les étudiants ayant un goût prononcé pour l’expérimental et la modélisation sont invités à candidater. De l’expérience avec la culture de microorganismes est un prérequis.

Contribution à l’évaluation rapide du potentiel de souches de micro-organismes photosynthétiques à être cultivés aux échelles pilotes et industrielles. Développement et qualification d’un dispositif de laboratoire

Les micro-organismes photosynthétiques – microalgues et (cyano)bactéries - représentent une biomasse d’intérêt pour de multiples applications : production de biocarburants, bioremédiation d’effluents liquides et/ou gazeux, production de bioplastique, complément alimentaire, alimentation humaine ou animale, cosmétique,… Leur capacité à capter le CO2 en fait aussi des acteurs très prometteurs de l’économie circulaire du carbone.
Pour répondre aux besoins de marchés de masse, il est nécessaire de sélectionner des souches de micro-organismes photosynthétiques particulièrement performantes parmi la très grande diversité naturelle existante (plus d’1 million d’espèces). Les souches ainsi sélectionnées pour leur meilleure productivité et/ou leur meilleure capacité à capter le CO2 permettront une réduction des coûts de production favorable à l’ouverture de nouvelles applications et de nouveaux marchés.
Pour des raisons pratiques, la sélection des souches s’effectue à petite échelle au laboratoire. Cependant, les résultats obtenus ne sont pas directement transférables aux échelles pilotes et industrielles car les conditions y sont très différentes (fortes variations notamment des conditions météorologiques).
L’objectif de ce projet de thèse sera de mettre au point des tests courts reproduisant les fortes variations de température et d’ensoleillement rencontrées dans des conditions d’exploitation réelle qui permettront d’évaluer rapidement au laboratoire le potentiel de souches de microalgues à être cultivées aux échelles pilotes et industrielles.
Pour cela, un outil expérimental est en cours de développement sur la plateforme MicroAlgues et Procédés du CEA de Cadarache. Le/la doctorant(e) validera cet outil et mettra au point les tests sur une microalgue modèle bien connue de la plateforme (Chlorella vulgaris NIES 227). L’approche sera étendue à d’autres souches de microalgues et à des bactéries photosynthétiques, autres microorganismes d’intérêt utilisés pour effectuer le traitement d’eaux usées et/ou la production de molécules d’intérêt (bioplastique, biostimulant, …).
Ce projet de thèse a pour majeure ambition de définir des protocoles simples et rapides permettant la sélection de souches industrielles de microalgues à la productivité et à la capacité de captation de CO2 augmentées. Il s’inscrit dans le projet AlgAdvance soutenu par le programme national de recherche PEPR B-Best – Biomasse, biotechnologies, technologies pour la chimie verte et les énergies renouvelables –développé de 2023 à 2029 dans le cadre du programme d’investissement France 2030.

Développement de lits granulaires denses et fluidisés dans des canaux microfluidiques pour des applications dans la santé

Le problème de santé publique majeure qu'est la septicémie nécessite des technologies en rupture pour poser un diagnostic ultra-rapide. Les lits granulaires denses et fluidisés sont des systèmes idéaux pour les processus d'échange liquide-solide ou gaz/solide. Ils sont largement utilisés dans l'industrie en raison de leur rapport surface/volume élevé. Au cours de cette dernière décennie, la microfluidique associée aux laboratoires sur puce a permis de faire de nombreuse avancées notamment dans le cas de la préparation d'échantillon biologique. Nous proposons de développer une plateforme microfluidique polyvente qui permettra de créer de tels lits denses et fluidisés. Nous travaillerons dans un premier temps sur l’incorporation de membranes dans les microcanaux en nous appuyant sur le savoir-faire breveté et développé au laboratoire. Ensuite nous étudierons et caractériserons les lits granulaires pour finalement les tester sur la détection de bactéries dans des échantillons biologiques. Ce travail se fera en collaboration avec nos partenaires physiciens du LEDNA et biologistes du LERI du CEA Saclay.

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