Ingénieur-e en mécanismes de transformation structurale des biopolymères lignocellulosiques par extrusion bi-vis

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Présentation INRAE

L’Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement (INRAE) est un établissement public de recherche rassemblant une communauté de travail de 12 000 personnes, avec 272 unités de recherche, de service et expérimentales, implantées dans 18 centres sur toute la France. INRAE se positionne parmi les tout premiers leaders mondiaux en sciences agricoles et alimentaires, en sciences du végétal et de l’animal. Ses recherches visent à construire des solutions pour des agricultures multi-performantes, une alimentation de qualité et une gestion durable des ressources et des écosystèmes.

Environnement de travail, missions et activités

VOTRE MISSION ET VOS ACTIVITÉS

Vous serez accueilli(e) dans l’unité Biopolymères, Interactions et Assemblages (BIA) de l’INRAE, située sur le campus de la Géraudière (3 impasse Yvette Cauchois, 44316 Nantes). L’unité BIA, composante du département TRANSFORM du nouvel Institut INRAE, oriente son projet de recherche vers la transformation durable des ressources agricoles et de la biomasse végétale. Il s'agit d'intégrer l'ensemble de la chaîne de transformation de ces ressources depuis leur construction jusqu'à leur déconstruction lors de leur utilisation finale (https://eng-ur-bia.angers-nantes.hub.inrae.fr/).

Vous serez plus particulièrement en charge de :

La biomasse lignocellulosique est une ressource renouvelable prometteuse pour la production de matériaux et d'énergie. Toutefois, sa valorisation requiert une déconstruction contrôlée, qui est essentielle pour maîtriser les propriétés finales des produits. Certains traitements chimio/enzymatiques et/ou mécaniques préservent la structure des fibres, tandis que d’autres, plus intensifs, décomposent jusqu’aux monomères (Himmel et al., 2007; Siqueira et al., 2010; Thygesen et al., 2014). Le défi actuel est de développer des procédés de déconstruction contrôlée respectueux de l’environnement et économiquement viables, dans un contexte où la chimie verte privilégie les ressources renouvelables. Parmi les technologies de valorisation, l'extrusion bi-vis se distingue par sa capacité à intensifier les procédés, tout en étant peu énergivore et respectueuse de l’environnement. Utilisée dans les industries agroalimentaires et des polymères, elle combine des opérations unitaires (mélange, déstructuration, extraction) tout en générant peu d’effluents. Des études montrent qu'elle réduit de 50 % l’utilisation de solvants et consomme entre 30 et 50 % moins d'énergie que d'autres procédés (Evon et al., 2018). 

Le projet de thèse EXTRABIO vise à explorer la déstructuration contrôlée des biomasses lignocellulosiques lors du procédé d'extrusion bi-vis. La biomasse lignocellulosique, une ressource renouvelable essentielle pour la production de matériaux biosourcés et d’énergie, présente une composition et une structure complexes, ce qui en fait un défi pour une transformation efficace et durable. L’extrusion bi-vis, déjà largement utilisée dans les secteurs agroalimentaires et des polymères, se distingue par sa capacité à combiner des opérations unitaires tout en minimisant l'impact environnemental et énergétique. Cependant, la compréhension des mécanismes structuraux intervenant lors de l’extrusion des biomasses lignocellulosiques reste limitée. Contrairement aux fondus d’amidon qui forment un milieu monophasique et homogène, les biomasses lignocellulosiques en suspension forment un mélange biphasique (solide-liquide) complexe et évolutif pendant l’extrusion, rendant la transformation imprédictible (Evon et al., 2018).

Cette thèse a pour objectif principal d’élucider les transformations structurales des biopolymères (cellulose, hémicelluloses, lignine) au cours de l'extrusion, en tenant compte des interactions physico-chimiques, thermiques et rhéologiques des matériaux. Elle s’attachera à modéliser ces mécanismes pour optimiser les procédés de bioraffinerie, en reliant les variables d'extrusion (température, énergie mécanique spécifique, pression) à la structure des produits extrudés. Les relations entre procédé et qualité des produits restent peu explorées en bioraffinerie et représentent un défi scientifique crucial. Quelques biomasses modèles, couvrant une large gamme de compositions, seront étudiées afin d’apporter des connaissances génériques sur les propriétés des mélanges, présentées sous forme de diagrammes de phase. Les résultats fourniront des bases solides pour le développement d'outils de modélisation d’extrusion appliqués à la valorisation des biomasses dans les bioraffineries, contribuant ainsi à la transition vers des procédés plus durables et économiquement viables.

Le programme de cette thèse se déroule en trois phases. Après sélection des matières premières (biomasses modèles et réelles), la première année sera dédiée à l’étude des mécanismes de déconstruction des biomasses par extrusion bi-vis, avec des expérimentations (incluant des essais d’arrêt brutal de l’extrudeuse, dits « dead-stop ») et des caractérisations multi-échelles pour relier la structure du produit aux variables d’extrusion T, EMS, P. La deuxième année portera sur la création d'une base de données pour un modèle global 1D d’extrusion, avec une étude de la compression des biomasses humides et la détermination des lois de comportement rhéologique dans des conditions similaires à celles de l’extrusion. Enfin, la troisième année sera consacrée à la simulation des essais d’extrusion (pour valider les propriétés des biomasses déterminées en année 2), à l’aide d’un modèle global 1D (Della Valle et al., 1993; Vergnes et al., 1998). Chaque phase inclut des présentations en conférence et la rédaction de publications, ainsi que la rédaction du mémoire en fin de thèse. La technique des « dead-stop » (arrêts brutaux de l’extrudeuse) sera mise en œuvre pour accéder aux mécanismes de transformation le long de la vis. Les lois de comportement établies seront intégrées dans le logiciel de simulation Ludovic©, assurant un transfert vers l’ingénierie prédictive.

 

Merci de nous transmettre une lettre de motivation et un CV

Formations et compétences recherchées

Formation recommandée : Ingénierie de procédés, chimie, ou physique. 

Connaissances souhaitées : Techniques de caractérisation en physique et nanotechnologie ainsi que les techniques spécifiques pour l’étude des biopolymères

Expérience appréciée : Fibres végétales, extrusion

Aptitudes recherchées : Initiative, créativité et capacité de travail d’équipe

Votre qualité de vie à INRAE

En rejoignant INRAE, vous bénéficiez (selon le type de contrat et sa durée) :

-  jusqu'à 30 jours de congés + 15 RTT par an (pour un temps plein)
- d'un soutien à la parentalité : CESU garde d'enfants, prestations pour les loisirs ;
- de dispositifs de développement des compétences : formation, conseil en orientation professionnelle ;
- d'un accompagnement social : conseil et écoute, aides et prêts sociaux ;
- de prestations vacances et loisirs : chèque-vacances, hébergements à tarif préférentiel ;
- d'activités sportives et culturelles ;
- d'une restauration collective.

Modalités pour postuler

J'envoie mon CV et ma lettre de motivation