Optimisation des procédés de captage et de conversion de CO2 en bioproduits à partir des fumées issues de l'incinération de déchets absorbés par des micro-organismes

par Naoufel El Bahraoui

Projet de thèse en Energétique et Procédés

Sous la direction de Pascal Stabat et de Rodrigo Rivera Tinoco.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres en cotutelle avec École polytechnique , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Centre énergétique et procédés (Paris ; Fontainebleau, Seine et Marne ; Sophia-Antipolis, Alpes Maritimes) (laboratoire) , CES - Centre Efficacité énergétique des Systèmes (equipe de recherche) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-02-2017 .


  • Résumé

    Contexte et enjeux Le dioxyde de carbone (CO2) est le gaz à effet de serre majoritaire dans les émissions de la filière incinération. Ce secteur d'activité figure d'ailleurs parmi les cinq premiers secteurs industriels émetteurs de CO2 en France, représentant environ 4% des émissions totales. A ce jour, les technologies de captage en postcombustion étudiées et exploitées pour des industriels équipés de fours de combustion se basent essentiellement sur une séquestration du CO2 à l'aide de solvants chimiques qui utilisent des procédés de traitement et de régénération coûteux. Le CO2 ainsi récupéré est un produit de très basse valeur marchande. L'alternative au captage de CO2 par solvants chimiques est l'absorption de ce gaz par des microorganismes dans un milieu aqueux. Outre l'avantage d'éviter les solvants chimiques, ces micro-organismes (micro-algues et bactéries) transforment le CO2 dans des molécules avec un potentiel de valorisation marchande. Malgré cet avantage, la conception des réacteurs de micro-organismes (bioréacteurs de type raceway, airlift, tubulaires, etc) et l'intégration des opérations unitaires nécessaires à soustraire les molécules souhaitées n'est que très peu étudiée. Chacune des briques technologiques est étudiée indépendamment, principalement les bioréacteurs (Thèse A. Rengel 2010, Thèse A. Lucchetti 2014). Ceci limite la création des synergies entre les opérations unitaires et le développement des briques multifonction. Le travail d'Acien et al. 2012 présente les composants du procédé de conversion de CO2 en biomasse sans mentionner la valorisation des molécules contenues dans les micro-organismes, tandis que le travail de Jazzar et al. 2015 présente exclusivement le taux d'obtention de lipides (biodiesel). Les verrous du développement de la filière de valorisation de CO2 par voie biologique reposent sur la multifonction des briques technologiques, l'intégration énergétique et l'intensification des procédés par une approche du système dans sa globalité Objectifs scientifiques - Etudier les phénomènes de transfert de masse et de chaleur dans les bioréacteurs et les absorbeurs de fumées - Etudier et améliorer les méthodologies d'intégration énergétique du procédé de captage et de conversion de CO2 en bioproduits - Développer la méthodologie de calcul et les outils nécessaires pour imbriquer divers logiciels informatiques de simulation de procédés adequats aux diverses opérations unitaires du procédé Approche - Méthodes La modélisation des opérations sera faite en utilisant les outils informatiques les plus adéquats pour chacune d'elles. Une superstructure logiciel sera développée pour échanger les données entre les diverses briques et ainsi pouvoir étudier l'intégration énergétique du procédé. Des nouvelles briques technologiques seront proposées avec l'objectif d'augmenter la fonctionnalité des briques (phénomènes couplés) et cibler une réduction des dépenses en équipement. Le projet dans le quel cette thèse évolue permettra de concevoir et étudier expérimentalement certains phénomènes. Résultats attendus La création d'une première superstructure logiciel pour intégrer divers simulateurs de procédés est ciblée. La superstructure sera développé au CES en intégrant les briques technologiques étudiées par les autres partenaires académiques. Une augmentation de la performance des procédés de valorisation de CO2 par biologique est attendue.

  • Titre traduit

    Optimization of capture and conversion processes of CO2 emitted in waste incineration units into bio-products by means of micro-algae or cyanobacteria cultures


  • Résumé

    Context and challenges Carbon dioxide is the most emitted greenhouse gas in waste incineration units. Such units in France rank waste incineration among the top 5 emitter activities and represent about 4% of national emissions. Technologies used to catch CO2 from exhaust gases rely mainly for post-combustion capture by amine based solvents. Regeneration of the solvent is needed in order to carry out carbon capture in closed loop and requires large amounts of heat to release the CO2 captured. CO2 existing the system shows no added value. As an alternative, CO2 can be captured and value can be added to it by biological processes (microalgae/bacteria). Besides the avoidance of chemical solvents, CO2 is converted into added value chemicals. One of the challenges found is that simultaneous optimization and integration of carbon capture in bio-reactors (raceway, airlift, tubular, etc) and unitary operations to extract added value molecules is barely studied. On the contrary, specific unitary operations are deeply studied, as can be seen for instance on the domain of bioreactors (PhD thesis of A. Rengel 2010 and A. Lucchetti 2014). Simultaneous optimization mentioned aims at finding synergies between unitary operations and review their functioning mode. The global aim is to go beyond two studies: Acien et al. 2012 in which only the yield and competitiveness of CO2 conversion into biomass is studied, and Jazzar et al. 2015 in which work is onlyt focused in extraction of lipids form biomass. Challenges on the development of CO2 biological processes need to be solved by improving the mass and heat transfer phenomena in unitary operations (process intensification), but also on creating unitary operations with multiple simultaneous functions that enhance energy efficiency. Scientific objectives - Study mass and heat transfer in bioreactors and exhaust gas absorbers. - Study and improve the methodologies of energy efficiency improvement in biological processes to convert CO2 into chemicals. - Develop novel methodologies to enable several computer programs used in process simulation to communicate and exchange data for more accurate process modeling and study Methodology Unitary operations will be modeled in the most adequate computer tools. A program (superstructure) will be created to enable data exchange between the tools and to optimize the performance of the biological process. Novel unitary operations will be suggested and studied. The project in which this thesis will evolve enables some proof of concept development. Expected results It is expected to develop a modeling tools that includes several simulation programs. Such tool will be develop by the CES and integrate modules developed by partners. Concerning the biological process, it is expected to increase its performance and suggest novel multi-function unitary operations.