Etude expérimentale et modélisation de l’hydrodynamique et du transfert de l’oxygène dans un bioréacteur à disques rotatifs

Experimental study and modeling of hydrodynamic and mass transfer in a rotatig biological contactor

• Auteur / Autrice : Taki-Eddine Kirouani
• Direction : Krasimir Dimitrov, Silvia Alexandrova
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie des Fonctions Biologiques
• Date : Soutenance le 14/11/2016
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Viollette

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse dimensionnelle

Turbulence

Eau -- Teneur en oxygène

Disques en rotation

Modèles mathématiques

Bioréacteurs

Mots clés libres

Transfert d’oxygène

Résumé

L’objectif de ce travail est la quantification et la modélisation du transfert d’oxygène en condition de relativement faible oxygénation afin de contribuer à la sélectivité et à l’intensification des performances des bioprocédés concernés. Les travaux expérimentaux et numériques sont réalisés avec un système modèle, air-eau, dans un bioréacteur à disques rotatifs, destiné à la production de bio-pesticides. Le coefficient volumique de transfert d’oxygène (KLa) est déterminé à l’aide de la méthode dynamique dans l’eau pure, sous conditions hydrodynamiques similaires à celles utilisées durant une bio-production de bio-pesticides par fermentation. Des modèles empiriques basés sur l’analyse dimensionnelle sont proposés pour prédire le KLa. Il est notamment observé que le modèle qui tient compte du volume du film aqueux sur les surfaces des disques semble plus pertinent car les écarts entre les valeurs expérimentales et calculées sont faibles pour les différentes conditions opératoires étudiées. Les limites des modèles empiriques du transfert d’oxygène sont discutées, et des nouvelles voies d’investigation sont proposées, parmi lesquelles l’étude numérique. Un modèle de transfert couplant la diffusion et la convection est proposé. Ce modèle prend en compte la variation de l’épaisseur du film aqueux formé sur le disque et le niveau d’immersion du disque dans le volume liquide. Le modèle permet de suivre le degré de saturation du film, ainsi que l’évolution de la concentration durant la rotation du disque et ceci à différentes profondeurs du film et différentes vitesses de rotation des disques. Le modèle est modifié pour décrire le transfert d’oxygène pour un disque immergé à moins de 50%. Les prédictions du modèle sont en accord avec des résultats de la littérature.

This work aims to quantify and to model the oxygen transfer in bubbles-less production with an objective of intensification of bioprocess performances and selectivity. Lab- and numeric works are achieved in model system air-water, in a rotating biological contactor suitable for bio-pesticides productions. The oxygen transfer coefficient is determined using dynamic method at conditions, similar to those used in bio-production of bio-pesticides by fermentation. To predict the oxygen mass transfer coefficient (KLa) empirical models based on dimensional analysis are proposed. The model based on the volume of the liquid film formed on the on the rotating discs, seems more appropriate since, at various studied experimental conditions, the obtained results are close to experimental ones. Limits of empirical mass transfer models are discussed and new areas of investigation are proposed, namely the numeric modeling. A convective-diffusion model has been suggested. The model takes into account the variation of the film thickness on the disc surface and the level of immersion of the disc in the volume of liquid phase. The model provide the degree of the film saturation, as well as the concentration evolution during one rotation of the disk for a different depths of the film and for different rotation velocities. The same model is modified to describe the oxygen transfer in the case when the disc immersion is less than 50%. The model predictions are in agreement with results from the literature.