Transfert de CO2 et stratégie d' apport du carbone inorganique en photobioréacteur

CO2 mass transfer and inorganic carbon sparging strategies in photobioreactors

• Auteur / Autrice : Mbalo Ndiaye
• Direction : Caroline Gentric, Émilie Gadoin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 09/09/2016
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génie des Procédés Environnement – Agroalimentaire (GEPEA) (Saint-Nazaire)
• Jury : Président / Présidente : Jack Legrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karine Loubière
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Liné, Eric Olmos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxygène

Dioxyde de carbone

Conception assistée par ordinateur

Mécanique des fluides

Hydrodynamique

Photobioréacteurs

Mots clés libres

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Résumé

Les applications des photobioréacteurs (PBR) pour la culture des microorganismes photosynthétiques, sont très variées et prometteuses. Une optimisation des conditions de culture est nécessaire afin de permettre une conduite économiquement viable des PBR en garantissant un apport suffisant de CO2 pour tous les microorganismes et en tout point du réacteur tout en limitant les pertes par dégazage. Ce travail s’intéresse par conséquent plus spécifiquement à l’étude du transfert entre phases du CO2. La mécanique des fluides numérique est utilisée pour réaliser une analyse fine des interactions qui ont lieu dans ces systèmes afin d’avoir une meilleure compréhension des phénomènes régissant leur fonctionnement et de prédire la distribution spatiale et temporelle des espèces dissoutes ainsi que les performances du transfert entre phases. L’étude numérique du transfert gaz/liquide suivant la méthode dynamique avec de l’O2 et avec du CO2 montre des valeurs de kLa apparent plus grand dans le cas avec O2. Contrairement à l’O2, les bulles de CO2 s’épuisent significativement au cours de leur ascension dans le liquide ce qui entraîne une diminution importante du potentiel d’échange et donc du kLa apparent. Une estimation lors d’une extrapolation du kLa apparent du CO2 avec de l’O2 pourrait entraîner une surestimation du transfert entre phases. Par ailleurs, les résultats de simulations de PBR en présence de microalgues avec le code numérique montrent qu’il est possible d’apporter du CO2 de façon suffisante et homogène dans un PBR airlift de 100 L. De plus, des conditions pour réguler le pH ont été déterminées pour des concentrations en CO2 dans le gaz modérées.

Photobioreactors (PBR) applications for photosynthetic microorganisms cultivation, are varied and promising. Optimazing culture conditions is necessary in order to ensure economically viable PBR operation by ensuring adequate CO2 intake for all microorganisms at any point of the reactor while limiting losses by degassing. This study more specifically focuces on CO2 mass transfer from gas phase to liquid phase. Computational fluid dynamics CFD is used to achieve a fine analysis of the interactions that take place in these systems in order to have a better understanding of the phenomena governing their operation and predict the spatial and temporal distribution of the dissolved species and gas/liquid mass transfer performances. The numerical study of gas/liquid transfer using dynamic method with O2 and with CO2 shows that apparent kLa values obtained with O2 is higher. Unlike oxygen, CO2 bubbles depleted significantly during their rising in the liquid which results in a significant decrease of the exchange potential and therefore the apparent kLa. Thus photobioreactor scale-up with kLa of CO2 estimated from dynamic method with O2 could lead to an overestimation of the gas/liquid mass transfer capabilities at large scale. Moreover, PBR simulation with microalgae using CFD code shows that it is possible to bring dissolved CO2 sufficiently and homogeneously in a 100 L airlift PBR. In addition, conditions to control pH are determined for moderate CO2 concentrations in the gas phase.