Hydrodynamical investigation and modelling of high volumetric productivity photobioreactor

Contribution à l’étude hydrodynamique et à la modélisation des photobioréacteurs à haute productivité volumique

• Auteur / Autrice : Antoine Souliès
• Direction : Jérémy Pruvost, Teodor Burghelea, Cathy Castelain, Jérôme Morchain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l’Ingénieur, Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génie des Procédés Environnement – Agroalimentaire (GEPEA) (Saint-Nazaire)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Ovarlez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérémy Pruvost, Teodor Burghelea, Cathy Castelain, Guillaume Ovarlez, Jean-François Cornet, Jérôme Morchain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Cornet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microalgues

Transfert radiatif

Chlorella vulgaris

Mots clés libres

Photobioréacteur

Rhéologie

Modélisation

Solaire

Résumé

Development of photobioreactor (PBR) for microalgal cultivation is actually of primary, considering the microalgae applicative potential. As well as any process, water and energy consumption have to be controlled. Intensified (PBR) appear here of great interest and especially high volumetric productivity PBR (PBR-HVP). These systems imply tu reduce drastically culture depth and to work with high biomass concentration. This highly disturbes hydrodynamic and light transfer into the system. This thesis concerns the study of those two lasts aspects for the case of the microalga Chlorella vulgaris. The first part concerns rheological study of concentrated suspensions, showing that rheological behaviour progress from a newtonian regime to a shear-thinning behaviour and _nally a yield stress one with the concentration increase. This has been con_rmed by a study of the flow in micro-channel by velocity profiles measurements. Cells aggregates formation has been especially observed, leading to astrong irreversibility of the flow. Using PBR-HVP under solar conditions results in a time evolution of the incident angle and spectrum of light. The second part of this thesis investigated radiative transfer in these conditions and their impacts on biomass productivity. Radiative properties and kinetic model of C. Vulgaris growth were determined. Both theoretical and experimental studies emphasize a strong pigment adaptation of C. Vulgaris culture as a response to variations of incident angle and spectrum.

La technologie de culture en photobioréacteurs (PBR) est un procédé de plus en plus utilisé vu le potentiel applicatif des microalgues. Comme pour tout procédé la consommation en eau et en énergie doit être maîtrisée. C'est dans cette démarche que s'inscrivent les PBR dits intensifés et en particuliers ceux à haute productivité volumique (HPV). Leur utilisation implique la réduction de l'épaisseur de culture et un fonctionnement à concentration en biomasse élevée perturbant l'hydrodynamique et le transfert radiatif dans le système. Cette thèse concerne ces deux derniers aspects, pour le cas de la microalgue Chlorella vulgaris. La première partie a portée sur l'étude rhéologique de suspensions concentrées, montrant que le comportement rhéologique évolue d'un régime newtonien à rhéo_uidi_ant puis viscoplastique avec l'augmentation en concentration. Ces résultats ont été confirmés par l'étude de l'écoulement en micro-canal, par mesures des profils de vitesses. Le phénomène d'agrégation cellulaire a été en particulier observé. L'utilisation de PBR-HPV sous flux solaire implique des conditions particulières d'utilisation, avec notamment un changement permanent de l'angle et du spectre lumineux incident. La seconde partie de ce travail a portée sur l'étude du transfert radiatif dans ces conditions et de son impact sur la productivité de la culture. Les propriétés radiatives et le modèle cinétique de croissance de C. Vulgaris ont pour cela été déterminés. L'étude théorique et expérimentale a montrée que C. Vulgaris adapte fortement sa pigmentation pour pallier les variations de spectre et d'angle d'incidence, ce comportement ayant un impact majeur sur a productivité du procédé.