Etude et modélisation du compartiment nitrifacteur de la boucle MELiSSA : coculture sur ammonium et triculture sur urée

Study and modelling of the nitrifying compartment of the MELiSSA loop : coculture on ammonium and triculture on urea

• Auteur / Autrice : Nelly Cruvellier
• Direction : Claude-Gilles Dussap
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 06/04/2017
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Christel Paille
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Natalie Leys, Jérôme Morchain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Natalie Leys, Jérôme Morchain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nitrification

Station spatiale internationale

Mots clés libres

MELiSSA

Nitrosomonas europaea ATCC® 19718

Nitrobacter winogradskyi ATCC® 25391

Colonne à lit fixe

Modélisation

MELiSSA

Nitrosomonas europaea ATCC® 19718

Nitrobacter winogradskyi ATCC® 25391

Fixed-bed reactor

Modeling

Résumé

Les procédés actuellement utilisés à bord de la Station Spatiale Internationale permettent un traitement physico-chimique des déchets avec un recyclage partiel des éléments en minimisant le réapprovisionnement en eau et oxygène. Voyager plus loin et sur de plus longues durées n’est possible que si un système de support de vie, permettant d’assurer une autonomie plus importante, est mis en place. Le projet MELiSSA est un système de support de vie biorégénératif ayant pour objectifs de recycler les déchets produits par l’homme, de régénérer l’oxygène et l’eau et d’assurer une production de nourriture. L’utilisation de microorganismes pour assurer ces différentes fonctions, n’est réalisable qu’en ayant la meilleure connaissance possible et surtout la maîtrise des processus et des souches impliqués. L’objectif de cette thèse est de développer un modèle prédictif pour le compartiment nitrificateur de la boucle MELiSSA. Dans un premier temps, les souches Nitrosomonas europaea ATCC® 19718 et Nitrobacter winogradskyi ATCC® 25391 ont été étudiées et ont permis de définir un modèle cinétique de ces deux bactéries en culture immergée. Dans un second temps, ce modèle a été combiné à un modèle N-bacs en série pour composer un modèle de nitrification dans une colonne à lit fixe à biomasse fixée : le modèle NitriSim. Ce modèle a été testé sur une expérience de long-terme menée dans une colonne à lit fixe dont le support est composé de billes Biostyr®. Le dernier chapitre de ce manuscrit décrit l’utilisation d’une souche dégradant l’urée, Cupriavidus pinatubonensis, dans le réacteur à lit fixe. Les différents résultats ont permis de définir un modèle de nitrification dans un réacteur à lit fixe et de présenter des perspectives possibles pour le traitement de l’urine au niveau du compartiment nitrifiant de MELiSSA.

Physico-chemical processes are used on the International Space Station for partial recycling of wastes in order to minimize the resupplies of oxygen and water. Further and longer explorations can only be possible if a life support system is applied to enhance autonomy to the station. MELiSSA is a biological life support system project aiming for waste recycling, water and air regeneration and production of simple food. The only way to assure these functions is the use of microorganisms which is requiring a high knowledge and a perfect control of processes implicated. The thesis objectives consist in developing a predictive model for the MELiSSA nitrifying compartment. First, a kinetic study of Nitrosomonas europaea ATCC® 19718 and Nitrobacter winogradskyi ATCC® 25391 in submerged bioreactors allowed defining a kinetic model of nitrification. Secondly, this model was combined to an N-tanks in series one to compose a nitrification model in fixed-bed biorectors : NitriSim. It was applied on a long-term experiment in a fixed-bed bioreactors where the bed was composed of Biostyr® beads. The last part of this work was about the use of a urea-degradating bacteria, Cupriavidus pinatubonensis, in the fixed-bed bioreactor. All of these results leaded to the development of a nitrification in fixed-bed reactors model and opened up interesting prospects for the urine degradation in the nitrifying compartment of MELiSSA.