Pré-industrialisation d'un procédé de consolidation de sol par bio-calcification in situ

par Olivier Girinsky

Thèse de doctorat en Microbiologie

Sous la direction de Sabine Castanier.

Soutenue en 2009

à Angers .


  • Résumé

    Dans les pays à fort risque sismique, les fondations bâties sur un sous-sol trop meuble peuvent avoir des conséquences désastreuses. En effet, dans certain cas, les mouvements sismiques provoquent des tassements, en particulier lorsque les sous-sols granulaires sont saturés en eau. Ce phénomène dit de liquéfaction ou perte de la résistance des sols, résulte de la montée de la pression interstitielle de l'eau lorsque les vibrations sismiques tendent à tasser les grains les uns contre les autres. Pour éviter l'effondrement des édifices, le génie civil renforce la résistance mécanique des terrains plus ou moins perméables, en procédant à des injections de matériaux par le biais de forages. Afin d'améliorer les procédés de consolidation des sols, une nouvelle technique compte apporter une réponse en utilisant des cristaux de carbonate de calcium précipités in situ par voie microbiologique. La précipitation bactérienne du carbonate de calcium peut s'accomplir par l'hydrolyse de l'urée, via l'enzyme uréase. Ceci conduit à l'alcalinisation du micro environnement, permettant la précipitation d'ions carbonates en présence d'ions calcium. Sporosarcina pasteurii a été choisi car c'est un micro-organisme alcalinophile, non pathogène et détenteur de concentration intracellulaire élevée en uréase. L'objectif était d'utiliser industriellement ce micro-organisme pour son pouvoir calcifiant, afin d'améliorer la cohésion des grains de sol, en milieu saturé, sans en obturer la porosité. Trois axes de recherche menés conjointement, ont été définis pour ce travail de préindustrialisation du procédé de bio consolidation in situ. Le premier axe a été l'obtention d'un milieu de production de biomasse, industriel, permettant de stabiliser l'accession aux fortes activités enzymatiques. Cette étape est indispensable du fait des exigences d'application du procédé sur le chantier, éloignées des conditions physiologiques de la bactérie S. Pasteurii. Il a été vital de décoder les modalités et la composition d'un milieu de culture industriel propre à favoriser la production de S. Pasteurii et d'uréase. Ce travail a établi les principaux paramètres de suivi de culture et leur signification physiologique. Il a permis d'étudier la régulation de la synthèse de l'enzyme uréase et de proposer un modèle de régulation chez S. Pasteurii. Le second aspect de recherche s'est attaché à créer une solution calcifiante à partir d'un mélange d'urée et de sel de calcium. Des colonnes de sable fin ont été utilisées pour évaluer l'impact, sur la bio calcification, de deux sources de sel de calcium, le nitrate et le chlorure de calcium. Les résultats mettent en avant, l'existence d'une réduction de la vitesse d'hydrolyse en présence d'ion calcium et l'absence de différence significative de résistance à la compression (RC) entre les deux sels. D'autre part, lorsque les activités enzymatiques d'hydrolyse sont moindres, le processus de bio calcification, paraît plus stable et efficace. De nombreuses images au microscope électronique à balayage (MEB) ont confirmé ces résultats. Enfin, une amélioration du procédé vient de la proposition d'une solution calcifiante, additionnée de très faibles quantités de matière organique, afin de favoriser l'élongation des cristaux de carbonate de calcium dans les zones inter-granulaires. Le troisième axe a été la mise en place pour une application en chantier, d'un protocole d'injection en colonne de sable fin d'une suspension de biomasse suivie d'une solution calcifiante. Ces travaux ont permis d'identifier, une corrélation entre les zones de dépôt de biomasse et les portions de sable consolidés, ainsi que les principaux facteurs responsables de l'hétérogénéité de la bio calcification. La densité cellulaire et la granulométrie bactérienne définissent par filtration mécanique et physicochimique un premier profil de distribution de la biomasse en milieu poreux. En fonction du niveau d'activité enzymatique et de la qualité de la suspension bactérienne injectée, la solution calcifiante interagit en précipitant sous forme de flocs et en amenant un changement local de viscosité. Pendant l'injection, l'écoulement des fluides redéfinit le premier profil de biomasse par un lessivage au sein du système poreux. La granulométrie du sable et la vitesse d'injection influencent également le lessivage. Grâce à ces travaux, l'hétérogénéité de la bio-calcification a été diminuée en intégrant dans le protocole d'injection, des temps d'arrêt d'injection pour l'immobilisation des fluides.


  • Résumé

    In countries with high seismic risk, foundations built on too loose a basement can lead to disastrous consequences. Indeed, in some cases, the seismic movements cause subsidence, particularly when the sub-granular soils are saturated with water. This loss of strength of the soil, a phenomenon called liquefaction, is due to from the increase of the interstitial water pressure when seismic vibrations tend to pack the grains against each other. To avoid the collapse of buildings, civil engineering techniques reinforce the strength of more permeable soils by drilling and making injections of appropriatematerials. To improve the processes of land consolidation, a new technique has been proposed using crystals of calcium carbonate precipitated microbiologically in situ. Bacterial precipitation of calcium carbonate can be accomplished by hydrolysis of urea, using the enzyme urease. This leads to alkalinization of the microenvironment, allowing the precipitation of carbonate ions in the presence of calcium ions. Sporosarcina pasteurii was chosen because it is a alkaline micro-organism, non-pathogenic and with high levels of intracellular urease. The objective is to develop an industrial process based on the calcifying power of this micro-organism to improve the cohesion of the grains of soil, without plugging theporosity. Three areas of research, conducted in parallel, were identified for this pre-industrialization phase of the process of bio-consolidation in situ. The first priority was to obtain an industrial biomass production with a consistent level of high enzymatic activity. This step is essential because of the constraints of the implementation of the process on site, far from the ideal physiological conditions for the bacterium S. Pasteurii. It is vital to decode the modalities and composition of an industrial culture medium for optimising the production of S. Pasteurii and urease. This work has established the main parameters for monitoring culture growth and their physiological significance. It has helped to study the regulation of the synthesis of the enzyme urease and to propose a regulatory model in S. Pasteurii. The second aspect of research is to create a calcifying solution from a mixture of urea and calcium salt. Columns of sand were used to assess the impact on bio-calcification of two different types of calcium salt, calcium nitrate and calcium chloride. The results show a reduction in the rate of hydrolysis in the presence of calcium ion and no significant difference in resistance to compression (RC) between the two salts. On the other hand, when the enzyme hydrolysis is lower, the process of bio-calcification seems more stable and effective. Images from a scanning electron microscope (SEM) confirmed these results. Finally, an improved process is proposed for a calcifying solution including small amounts of organic material in order to promote the elongation of the crystals of calcium carbonate in the inter-granular zones. The third axis was the development of a protocol for industrial site use, involving the injection into a column of fine sand of a biomass suspension followed by a calcifying solution. This work has first identified a correlation between the biomass deposition zones and stretches of consolidated sand, and has also shown the main factors responsible for the heterogeneity of bio-calcification. The initial distribution of biomass in porous media is due to filtration, both chemical and mechanical which is influenced by cell density and bacterial size. Depending on the level of enzyme activity and the quality of the bacterial suspension the calcifying solution precipitates into flocs producing local changes in viscosity. During the fluid injection the first profile of biomass is redefined by a leaching-out of the porous system. The sand grain size and speed of injection also influence leaching. This study has allowed a better understanding of these phenomena. The heterogeneity of bio-calcification was reduced by incorporating temporary immobilization of the fluids into the injection protocol.

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Informations

  • Détails : 2 vol. (408 f.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. f. 385-395

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