Bioconversion, hydrodynamics and mass transfer in a fibrous fixed bed reactor

• Auteur / Autrice : Martin Martinov
• Direction : Dimiter Hadjiev
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Lorient
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Copolymères

Eau -- Épuration

Biofilms

Bioréacteurs

Mots clés libres

Garnissage fibreux

Réacteur à lit fixe

Peva

Résumé

Au cours des vingt dernières années, les technologies utilisant des bactéries fixées sont fortement développées dans le domaine de traitement des eaux. La technique de biofilms bactériens peut répondre aux exigences industrielles, telles que le débit élevé, une réduction du volume du réacteur, et la stabilité du processus, etc. L’étude des informations existantes sur les biofilms et les conditions de leurs formations sont décrites et démontrées dans le chapitre 1 "Analyse bibliographique". Les facteurs affectant l'attachement initial des cellules et le développement du biofilm, et le détachement des cellules, ainsi que les méthodes pour rechercher l'influence de ces facteurs ont été étudiés. Les matériaux utilisés comme supports pour la formation de biofilms et les bioréacteurs travaillant avec les biofilms ont été examinés. Suite aux résultats de recherche décrits dans le chapitre 1, l'objectif principal de la présente étude a été posé comme suit: L'objectif est d'élargir la disponibilité de la technologie, utilisant le biofilm par la découverte des propriétés d'un copolymère de polyéthylène et de vinylacétate (PEVA), lequel pour être utilisé comme support d'un biofilm et l'étude des caractéristiques du réacteur travaillant avec le biofilm développé sur ce support. En raison de la grande variété d'applications du biofilm, l'étude a été limitée à l'aspect du traitement des eaux. L'objectif nécessite la résolution de tâches liées à l'étude des propriétés PEVA, leurs influences sur l'attachement des cellules et le développement d'un biofilm, l'étude du support PEVA fonctionnant comme garnissage, le choix de réacteur à biofilm, lequel fonctionne avec ce garnissage, et la recherche de caractéristiques technologiques de ce réacteur. La résolution de cette tâche nécessite l'utilisation de différentes techniques, méthodes et matériels décrits en détails dans le chapitre 3 "Matériaux et méthodes». Pour déterminer les différents paramètres, des matériaux ainsi que des procédés techniques uniques ont été utilisés : la microscopie à balayage électronique(MEB), la microscopie par épi fluorescence avec un marquage DAPI, la micro spectroscopie infrarouge IR-ATR et spectrophotométrie. Aussi des techniques classiques et des méthodes ont été utilisée pour mesurer les paramètres physico-chimiques des matériaux et des milieux tels que l'angle de contact et l’énergie libre de surface, la viscosité, la densité, ainsi que les techniques de mesures de la rétention gazeuse, le temps de séjour et la dispersion axiale, ainsi que la méthode de détermination du coefficient volumique de transfert d’oxygène. Les résultats et les commentaires à leurs sujets sont présentés dans le chapitre "Résultats et discussion. " Les caractéristiques de surface des microorganismes et des séries de supports ont été examinées. Le matériau PEVA a été choisi comme un support et il a été testé pour la formation de biofilm. Il a été constaté que le réseau de polymère PEVA est un support approprié pour le développement du biofilm. L'efficacité des cellules libres et immobilisées dans des flacons et dans un réacteur à lit fixe fibreux a été étudiée. Aussi les influences de la substance chimique extrême et la perturbation thermique ainsi que l'influence de la vitesse de dilution ont été étudiés. Il a été constaté que, sur un lit fixe fait de matériau PEVA, les biofilms ont été stables en développement, ce qui suggère que ce lit est approprié pour une utilisation en zone semi-industrielle et industrielle des bioréacteurs. Certaines caractéristiques du réacteur à lit fixe fibreux, à savoir le temps de séjour et la dispersion axiale, la rétention gazeuse, la taille et la distribution de bulles de gaz, le coefficient volumique de transfert d’oxygène ont été déterminés. Les valeurs des paramètres étudiés ont été déterminées et leurs résultats ont été comparés aux études antérieures faites par d'autres auteurs. Des corrélations empiriques entre ces caractéristiques et des paramètres différents que la vitesse le gaz et le liquide, des propriétés physico-chimiques du milieu et la hauteur du garnissage ont été proposées. L'écart entre les valeurs expérimentales et prédites est dans l’ordre des 15%. En général, nous avons établi que le réacteur à biofilm avec un lit fixe conçu pour intégrer le garnissage fibreux (PEVA) montre un fonctionnement stable en mode continu et il est adapté pour une utilisation dans le domaine du traitement des eaux.

In the past twenty years, the technologies using fixed bacteria have developed greatly in the field of wastewater treatment. The bacterial biofilm technique can meet the industrial requirements, such as high flow rate, reduced reactor volume and process stability, etc. A study of published information on biofilms and conditions of their formation has been accomplished and is shown in Chapter 1 "Literature survey". The factors affecting the initial attachment of cells and development of biofilm and the detachment of cells were investigated as well as the methods for studying the influence of these factors. Materials used as supports for biofilm formation and bioreactors, working with biofilms were reviewed. Following the research results described in Chapter 1, the main objective of the present work has been posed as follows: To perform a study to extend the options and techniques for technical-scale biofilm utilization by uncovering the properties of a new polyethylene-vinyl-acetate co-polymer support for biofilms as well as the characteristics of a technical scale reactor for its use. Due to the wide variety of biofilm applications, the study has been limited to the aspect of waste water treatment. The objective posed is requiring resolving the tasks related to study of PEVA properties influencing on the attachment of cells and the development of biofilm, and to feasibility study on PEVA to operate technically in bed, selection of the technical form and appropriate unit – a biofilm reactor - to operate the particular biofilms and characterization of the biofilm reactor performance. Solving these tasks requires the use of different techniques, methods and materials described in details in Chapter 3 "Materials and Methods". To determine the various parameters of the materials and processes, unique techniques were used such as scanning electron microscopy; epifluorescence microscopy, infrared microspectroscopy, spectrophotometry. Also conventional techniques and methods were used for measuring the physicochemical parameters of the materials and medias such as contact angle and surface free energy, viscosity, density and the parameters of technological processes namely hydrodynamics, mass transfer rate, gas hold up and bubble size distribution. Results and comments on them are presented in Chapter "Results and discussion. " Surface characteristics of the microorganisms and series of supports were examined. PEVA material was selected as a support and was tested for biofilm formation. It was found that the polymer network of PEVA material is a suitable medium for the development of biofilm. The effectiveness of the immobilized and free cells in flasks and in a reactor with fibrous fixed bed was studied. Also the influences of the extreme chemical and thermal disturbance as well as the influence of the dilution rate were examined. It is found that on a fibrous fixed bed made from PEVA material, stable biofilms were developing, suggesting that this bed is suitable for use in semi-industrial and industrial bioreactors. Some characteristics of the reactor with fibrous fixed bed, namely, residence time distribution, gas hold-up, bubble size distribution and gas-liquid mass transfer coefficient were determined. The values of parameters studied were determined and the results were compared to previous data of other authors. Some empirical correlations between these characteristics and various parameters as gas and liquid velocity, physicochemical properties of the medium and height of the bed packing are proposed. The deviation between experimental and predicted values is within 15 %. In general, we established that the biofilm reactor with fixed bed with medium recycle designed to incorporate the fibrous packing (PEVA) shows stable operation in continuous mode and it is suitable for use in the field of wastewater treatment.