UMR CNRS 6144
Génie des Procédés Environnement et Agroalimentaire
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GEnie des Procédés
Environnement - Agroalimentaire
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Etude et modélisation de l'hydrodynamique et des transferts gaz-liquide dans un photobioréacteur à haute productivité volumique

Introduction/contexte

La culture de microalgues en photobioréacteurs (PBR) est un procédé de plus en plus utilisé depuis quelques années dans de nombreux domaines d’applications (énergie, chimie verte, complément alimentaire, dépollution, etc.). Il est donc essentiel, dans un souci de rentabilité, de gérer au mieux sa consommation énergétique. Plusieurs voies sont étudiées comme par exemple le recyclage de fumées industrielles comme source de carbone (projet SymBIO2), l’utilisation d’eaux usées comme base de milieux de culture et l’intensification des cultures en augmentant la concentration en microorganismes photosynthétiques. Ce dernier point consiste à augmenter la surface spécifique éclairée afin d’augmenter la disponibilité de l’énergie lumineuse à la culture, pour cela il est nécessaire de diminuer l’épaisseur du milieu de culture. Ceci permet donc d’augmenter la concentration cellulaire dans le photobioréacteur et donc de diminuer la quantité d’eau utilisée. De ce fait, les coûts énergétiques et de production vont diminuer significativement.

Les réacteurs à faible épaisseur sont dits à « haute productivité volumique (PBR-HPV) », les cultures sont réalisées dans des milieux confinés et sous haute concentration cellulaire. Cependant, cela induit plusieurs problématiques qui nuisent aux performances et donc à l’intensification obtenue. Cela concerne en particulier la tendance à la formation de biofilm sur les parois optiques (néfastes que ce soit pour la qualité microbiologique de la culture ou pour la transmission de la lumière à travers la paroi) et la diminution des capacités mélange et de transfert gaz-liquide. L’hydrodynamique apparaît comme un élément clé, rendu ici spécifique par le fort confinement induit par les faibles épaisseurs optiques (interaction des bulles avec les parois, augmentation de la viscosité de la phase liquide liée à l’obtention de hautes concentrations cellulaires).

Objectif du projet

L’objectif est donc d’analyser en quoi les conditions HPV modifient l’écoulement diphasique et le bon fonctionnement du PBR en termes d’hydraulique et de transfert gaz-liquide et d’optimiser d’une façon générale l’hydrodynamique. Les paramètres hydrodynamiques qui seront appliqués auront aussi pour but de limiter le développement de biofilm à la surface des photobioréacteurs et de réduire la fréquence d’arrêt pour le nettoyage de ces systèmes.

Ce projet portera sur trois points particuliers :

  1. La compréhension du rôle des bulles sur les phénomènes pariétaux en contacteur à bulles confiné (canal de 4mm d'épaisseur), à l’aide de mesures électrochimiques permettant d’accéder au cisaillement en paroi et à ses fluctuations. Dans le contexte des photobioréacteurs à forte concentration cellulaire, le développement de biofilms est un problème à résoudre, et une compréhension fine du rôle des bulles pour prévenir leur formation ou conduire à leur détachement permettra d’optimiser la conception de cette nouvelle technologie. Les différentes conditions hydrodynamiques seront ensuite testées sur une culture de Chlorella Vulgaris afin de déterminer quelle séquence de bullage permet de retarder l'apparition de biofilm sur la surface du canal.
  2. L’étude de l’hydrodynamique de la phase liquide : champ de vitesse, caractéristiques de la turbulence grâce à la méthode de vélocimétrie par imagerie de particules et l’étude des caractéristiques de la phase gazeuse : taux de vide local, taille et vitesse de bulles grâce à l’ombroscopie.
  3. La caractérisation du transfert gaz-liquide pour une épaisseur de réacteur de 4 mm et pour différentes vitesses superficielles de gaz et viscosités de la phase liquide. En effet, à forte concentration cellulaire, avec une rhéologie qui évolue, l’apport de CO2 ne doit pas être limitant : nous nous proposons d’étudier l’effet du confinement sur le transfert gaz-liquide. Des mesures de kLa par réoxygénation sont envisagées, ainsi que de la surface spécifique par analyse d’image.

 

Projets