Simulation du bullage dans un photobioréacteur

Simulation of bubbling in a photobioreactor

• Auteur / Autrice : Wenbiao Jiang
• Direction : François Puel, Victor Pozzobon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 05/12/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Havet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Puel, Victor Pozzobon, Didier Dalmazzone
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Charcosset, Sophie Charton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Colonnes à bulles (réacteurs chimiques)

Lumière -- Effets physiologiques

Microalgues

Mots clés libres

Ombroscopie

Photobioreacteur

Bulles

Vof

OpenFOAM

Modélisation

Simulation

Shadowgraphy

Photobioreactor

Bubbles

Vof

OpenFOAM

Modeling

Simulation

Résumé

Au cours des dernières années, la culture de microalgues est largement étudiée pour produire des biocarburants et d’autres produits de valeur en fixant le dioxyde de carbone de l’atmosphère, afin d’atténuer simultanément les effets du changement climatique et de réduire la dépendance à l’égard des carburants fossiles. En comparaison avec les systèmes ouverts, les photobioréacteurs fermés sont davantage utilisés en laboratoire, car ils permettent de contrôler avec précision les facteurs environnementaux tels que le pH, la concentration en éléments nutritifs, etc. Le principe de fonctionnement d’un photobioréacteur repose sur l’injection de bulles dans le milieu de culture pour (i) apporter du dioxyde de carbone aux cellules (ii)agiter le liquide. Par l’apport d’énergie lumineuse les cellules transforment le carbone inorganique en carbone organique par photosynthèse. Ainsi, les phénomènes physiques - l’écoulement, transfert de matière, transfert radiatif - et les phénomènes biologiques - photosynthèse, croissance cellulaire et mort - coexistent dans un photobioréacteur. Plus important encore, tous les phénomènes de base ne sont pas complètement indépendants les uns des autres. Des recherches récentes ont révélé que le comportement des bulles avait également une incidence directe sur le processus biologique. En raison du comportement significatif des bulles sur la productivité d'un photobioréacteur, la génération de bulles a été étudiée dans cette thèse au moyen de méthodes expérimentales et numériques.Dans l'étude expérimentale, nous avons conçu puis fabriqué un nouveau photobioréacteur afin d'étudier le bullage in situ. L’emploi d’une technique d’ombroscopie couplée à une caméra vidéo a permis l’enregistrement de séries de bulles. Les images traitées ont permis de mesurer des caractéristiques de bulles (fréquence, volume, facteur de forme). Le volume moyen de bulle et la fréquence de formation de bulles augmentent avec le débit de gaz. De plus, la distribution volumique monodisperse à faible débit devient de plus en plus polydisperse par l’accroissement de celui-ci. L’évolution de la forme des bulles lors de leur remontée dans le liquide a été évaluée par l’emploi de facteurs de forme. Ces facteurs diminuent avec la remontée des bulles et traduisent une déformation horizontalement. A débit élevé, les formes des bulles oscillent et coalescent plus fréquemment.La simulation du bullage a été réalisé par l’emploi d’une méthode Volume of Fluid (VOF) et d’une bibliothèque open source de mécanique numérique des fluides OpenFOAM. Ces choix de méthodes sont motivés en raison de la robustesse d'OpenFOAM en matière de simulation d'écoulements diphasiques rapportée dans la littérature. Une première étude numérique de simulation 2D a permis de déterminer les valeurs appropriées des paramètres numériques (nombre de Courant et la taille du maillage) tout en minimisant le temps de calcul par rapport à une pré-étude 3D. Sans surprise, nous avons déterminé que la taille des mailles devait être inférieure au diamètre de la buse pour obtenir des résultats significatifs. De façon plus surprenante, nous avons observé que le nombre maximum de Courant n’a pas d’importance particulière pour ces simulations (dans une limite raisonnable : 0 à 1). Les simulations 3D ont été menées sur un supercalculateur. Elles ont montré que le volume des bulles et l’évolution de leur forme calculées numériquement étaient en accord avec les résultats expérimentaux. Cependant, les simulations 3D n’ont pas permis de représenter la polydispersité de la distribution volumique des bulles en raison d’un temps de calcul nécessaire trop important pour générer une population de bulles suffisamment nombreuse. Au final, l'outil numérique a aussi été utilisé avec succès pour explorer plusieurs caractéristiques hydrodynamiques de mélange dans le liquide.

The working principle of a typical photobioreactor is to inject gas bubbles into the culture medium, providing CO2 to the cells and also stirring the liquid. Subsequently, the cells convert inorganic carbon into organic carbon through photosynthesis under illumination. Therefore, physical phenomena, e.g. bubbly flow, mass transfer, radiative transfer, and biological phenomena, e.g. photosynthesis, cell growth and death, coexist in a photobioreactor. More importantly, all the basic phenomena are not completely independent to each other. For example, bubble volume and bubble shape can influence gas-liquid mass transfer according to Young-Laplace equation and Henry's law. Moreover, some recent research revealed that bubble behaviors also directly affect the biological process. In view of the important impact of bubble behaviors on productivity of a phototbioreactor, the bubbly flow was investigated in this thesis by both experimental and numerical methods.In the experimental study, we first manufactured a new photobioreactor in order to study the bubbles and other phenomena. Subsequently, the bubbles were captured by high speed camera by virtue of a shadowgraphy technique and bubble behaviors were obtained by processing and analyzing the images. From the experimental results, we found that both averaged bubble volume and bubbling frequency increased with gas flow rate. Furthermore, we also discovered that the distribution of bubble volume was almost monodisperse at low flow rate, and it became more and more polydisperse with increasing flow rate. Regarding bubble shape evolution, we used two shape factors, viz. aspect ration and circularity, to quantitatively study it. We found that both shape factors dropped rapidly during bubble rising (within the limit of the field of view of our video camera), which implied that bubbles were flattened in the course of rising. Nonetheless, bubbles became more vertically elongated at higher flow rate, partially due to the more frequent bubble coalescence at higher flow rate.In the numerical study, we adopted VOF method and OpenFOAM, an open source CFD library, as our numerical tool to represent bubbly flow. First of all, the robustness of OpenFOAM in simulating two-phase flow was validated by literature survey. Subsequently, 2D simulations were carried out for seeking the appropriate and not very time-consuming numerical parameters, i.e. maximum Courant number and mesh size. We found that mesh size should somehow be smaller than the nozzle diameter to have meaningful results. On the other hand, maximum Courant number had no particular importance in the simulations (as long as between 0 and 1). Furthermore, 3D simulations were in good agreement with the experiments in terms of bubble volume and bubble shape evolution. However, 3D simulations were not able to represent the polydispersity of bubble volume due to the limited computing power. In addition, several hydrodynamic characteristics were also explored by the proposed numerical tool, which gave reasonable results.To conclude, bubble behaviors were successfully captured by experimental methods and represented by numerical methods in this thesis, which will help us go further in understanding the complicated physical-biological phenomena of a photobioreactor.