Un outil d'IA accélère le développement des bioréacteurs : les simulations sont jusqu'à 10 000 fois plus rapides
Cet outil open source peut être utilisé pour des applications allant de la fermentation et de la production de polymères au piégeage du CO₂, en passant par la fabrication de cellules de batterie et les jumeaux numériques.
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Le contrôle des bioréacteurs industriels à grande échelle constitue l’une des tâches les plus complexes de l’industrie des procédés. Dans ces installations souvent gigantesques, les moindres variations de température, de pH ou de teneur en oxygène déterminent la réussite ou l’échec d’un procédé. Une équipe de recherche interdisciplinaire de l’Université technique de Graz (TU Graz), dirigée par Stefan Radl de l’Institut des technologies des procédés et des particules, vient de présenter dans la revue « Chemical Engineering Science » la boîte à outils logicielle CLARA, qui permet de simuler les processus dans les réacteurs 10 000 fois plus rapidement. Par ailleurs, les calculs sont si précis que les résultats de la simulation peuvent être utilisés dans la pratique pour contrôler des installations à grande échelle, par exemple dans le domaine de la fermentation, de l’utilisation énergétique de la biomasse ou de la production de polymères. Cette solution a été développée et financée dans le cadre du projet phare DigiBioTech de la TU Graz.
CLARA (CLustering AlgoRithm Austria) automatise la création de modèles d’ordre réduit (ROM) à l’aide de méthodes d’apprentissage automatique non supervisées. Cela permet de calculer plus efficacement les réactions détaillées et les processus de transport de masse dans des écoulements complexes. « Jusqu’à présent, les simulations basées sur la dynamique des fluides computationnelle (CFD) étaient principalement utilisées pour ces calculs », explique Stefan Radl. « Elles sont certes très précises et détaillées, mais elles nécessitent également une puissance de calcul considérable. Les simulations reproduisant des processus réels s’étalant sur plusieurs jours ou semaines peuvent prendre des mois à calculer. »
Regroupement des données
Au cœur de CLARA se trouve un processus de regroupement assisté par l’IA. Des millions de points de données issus de simulations CFD plus courtes sont automatiquement regroupés en un nombre gérable – compris entre cinq et 50 – de zones interconnectées, appelées « compartiments ». Ce qui devait auparavant être effectué manuellement et nécessitait une grande expertise est désormais automatisé et mathématiquement précis. Même dans le cas d’écoulements multiphasiques complexes, où des flux de matières solides, liquides et gazeuses se mélangent dans le bioréacteur, la précision est préservée.
L’avantage de cette approche réside dans la réduction drastique de la complexité des modèles à calculer, tandis que les données obtenues restent très instructives. Cela signifie que des effets physiques importants sont conservés malgré une vitesse de calcul considérablement accrue. Par exemple, les zones mortes du bioréacteur où le mélange est insuffisant ou les zones soumises à des forces de cisaillement élevées peuvent toujours être prises en compte de manière fiable. L’échange de substances entre les phases gazeuse et liquide est également modélisé de manière réaliste, ce qui constitue un facteur décisif pour les procédés biotechnologiques.
La précision est préservée
Une attention particulière a été accordée à la cohérence physique. Les modèles simplifiés souffrent souvent d’imprécisions dans le bilan massique. Par exemple, lorsqu’un organisme se développe dans un bioréacteur, il a besoin, à un certain stade, de davantage de gaz et d’autres nutriments. Les modèles simplifiés ne sont pas très concluants à cet égard, en particulier à grande échelle. C’est pourquoi les chercheurs de l’Université technique de Graz ont développé des algorithmes d’optimisation des ROM garantissant une conservation constante de la masse. Les premières validations, réalisées à l’aide de tests analytiques de référence et de données CFD détaillées, confirment leur grande précision.
« Les applications potentielles de CLARA sont diverses et vont des réacteurs de captage du CO₂ aux procédés de production de cellules de batterie », explique Stefan Radl. « Cette technologie offre un potentiel particulièrement important pour le développement de jumeaux numériques capables de cartographier et d’optimiser les procédés en temps réel. Nous mettons désormais CLARA à disposition en tant qu’outil open source dans un référentiel public. Toutes les fonctionnalités testées y sont incluses, et nous y intégrons progressivement de nouvelles améliorations. » CLARA est déjà utilisée dans le cadre d’une thèse de doctorat au centre COMET BEST et au sein de SimVantage, une spin-off de l’Université technique de Graz.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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