Modélisation - estimation de la production biologique d'hydrogène par la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus

par Jamila Obeid

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides, énergétique et procédés

Sous la direction de Jean-Pierre Magnin et de Jean-Marie Flaus.

Soutenue en 2009

à Grenoble, INPG .


  • Résumé

    Ce travail de thèse s’inscrit dans le but de concevoir un nouveau procédé de valorisation de déchets en hydrogène par des bactéries photosynthétiques (Rhodobactérie capsulatus). L’objectif de cette étude était d’une part d’analyser et de développer une méthodologie de modélisation du comportement de deux souches bactériennes IR3 et B10, dans un photobioréacteur en batch et en semi – batch à volume constant, et d’autre part de développer un observateur d’état de procédé anaérobie pour production d’hydrogène en mode batch, avec un intérêt particulier vers l’estimation du substrat et de la biomasse. La méthode proposée est basée sur une technique d’estimation à horizon glissant (MHSE). Un modèle non linéaire classique – modèle de Monod – a été utilisé pour décrire la croissance des bactéries Rhodobactérie capsulatus et la consommation de substrat par ces bactéries. Un modèle statique cohérent, basé sur celui de Baly, décrivant l’influence de la lumière sur la production d'hydrogène par R. Capsulatus a été établi. Ce modèle a été modifié à partir du fait que la lumière intervient deux fois sur la production d'hydrogène, au niveau de la production d'ATP (croissance biologique entre autres) et au niveau de la nitrogénase, enzyme responsable de la production d'hydrogène, le paramètre I est alors remplacé par I2. La vitesse de production d’hydrogène en fonction de l’intensité lumineuse est décrite par un modèle dynamique modifié de celui de Piret. Il analyse et modélise le comportement dynamique des bactéries vis-à-vis de la production d’hydrogène et décrit les modifications du procédé lors des phases de croissance bactérienne et lors des changements d’intensité lumineuse. Une méthode d’estimation d’état de procédés non linéaires à temps discret pour la production d’hydrogène par Rhodobactérie capsulatus est proposée avec un intérêt particulier vers l’estimation du substrat et de la biomasse. La méthode est basée sur une technique d’estimation à horizon glissant (MHSE), où la solution est recherchée à l’aide d’une méthode numérique ensembliste. L’estimation a été appliquée à la production d’hydrogène par deux souches bactériennes (IR3, B10), en utilisant des données simulées à partir d’un simulateur identique au modèle d’état du bioprocédé utilisé dans l’observateur, des données simulées à partir d’un simulateur de même structure que le modèle d’état utilisé dans l’observateur, mais dont certains paramètres ont été légèrement modifiés et des données expérimentales obtenues lors de campagnes des mesures réalisées au laboratoire LEPMI.


  • Résumé

    The aim of this thesis is to design a new process for photosynthetic conversion of waste into hydrogen by photosynthetic bacteria (Rhodobacter capsulatus). On the one hand, this study focuses on analysing and developing a modelling methodo!ogy of the behaviour of two bacterial strains IR3 and B10 in a constant volume photobioreactor operated with batch and semi-batch modes. On the other hand, it deals with developing a state observer for hydrogen production by a batch-mode anaerobic process, with particular attention to substrate and biomass estimation. The estimation of hydrogen production was based on Moving Horizon State Estimation Method (MHSE). The Monod classical non-linear model was used to describe both the bacterial growth of Rhodobacter capsulatus and the substrate bacterial consumption. A static model (based on Baly mOdel), describing the effect of light on hydrogen production by R. Capsulatus has been established. This model has been modified because light has dual effect first, on the hydrogen production, by producing ATP (among other biological growth) and second on the nitrogenase production, enzyme responsible for hydrogen production, the Darameter 1 is replaced by 12. The rate of hydrogen production as a function of light intensity was described by modifying Piret model. It analyses and modelises the bacterial dynamic behavior and the hydrogen production and describes the process modifications during the bacterial growth phases and aswell during light intensity variations. A discret non-linear method of process state estimation for the hydrogen production by Rhodobacter capsulatus was based on Moving Horizon State Estimation Method (MHSE) technique where the solution was performed with a numerical ensemble method. This observer was applied on two bacterial strains (IR3, B10) using a simulated data obtained from a simulator identical to the model of the bioprocess state used by the observer, simulated data extracted from a simulator of the same structure as the state model used by the observer, but in which certain parameters were slightly modified and the experimental data obtained during a series of measurement realised in LEPMI laboratory.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (159 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 155 réf.

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  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation (Saint-Martin d'Hères, Isère). Bibliothèque universitaire de Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TS09/INPG/0028/D
  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation (Saint-Martin d'Hères, Isère). Bibliothèque universitaire de Sciences.
  • Disponible sous forme de reproduction pour le PEB
  • Cote : TS09/INPG/0028
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