Conception et étude d'un photobioreacteur pour la production en continu de microalgues en écloseries aquacoles

Design and studies of a photobioreactor for microalgae continuous production in hatcheries

• Auteur / Autrice : Erell Olivo
• Direction : Jack Legrand, René Robert, Gaël Bougaran, Karine Loubière, Jérémy Pruvost
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mécanique, thermique et génie civil (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : École polytechnique de l'Université de Nantes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microalgues

Bioréacteurs

Aquaculture

Résumé

Cette thèse porte sur la conception et l’étude d’un photobioréacteur à vocation aquacole. L’état de l’art et les contraintes technico-économiques propres à ce secteur d’activité ont orienté les choix vers un réacteur simple, modulable en volume, peu onéreux en termes de fabrication et de fonctionnement et fiable pour la culture en continu sur le long terme. Son module élémentaire est composé de deux colonnes verticales, reliées par des brides, dans lesquelles le fluide est mis en circulation par une injection d’air située en bas de colonne (réacteur airlift); afin de minimiser la formation de biofilm en paroi, un écoulement tourbillonnaire est généré au sein de chaque colonne. La maquette d’étude conçue (6,1 litres) a servi de base aux études de transferts radiatifs, hydrodynamiques et biologiques. Le couplage entre, d’une part un modèle de transferts radiatifs (modèle à deux flux), et d’autre part la croissance en fonction de l’irradiance de la microalgue aquacole Isochrysis affinis galbana (t-Iso), a permis de prédire la productivité dans le photobioréacteur pour différentes conditions opératoires (flux de lumière incident, taux de dilution, diamètre de colonne). La recherche d’un compromis entre productivité et coûts a conduit à retenir un diamètre de colonne de 60 mm. Réalisées par traçage conductimétrique et vélocimétrie à images de particules (PIV), les études hydrodynamiques ont donné accès aux profils radiaux des composantes axiale et tangentielle de vitesse, aux vitesses débitantes et à l’intensité tourbillonnaire. Différents débits d’air, types d’injections d’air et de facteurs de vitesse (FV) ont été testés. La rapide atténuation du mouvement tourbillonnaire (au bout d’un mètre de colonne) a été notamment mise en évidence. En complément, les performances d’aération du réacteur ont été déterminées expérimentalement et ont confirmé la capacité du réacteur à dégazer l’oxygène produit photosynthétiquement. Enfin, les études biologiques conduites sur des cultures en continu ont révélé que les productivités atteintes dans ce photobioréacteur étaient identiques quel que soit le type d’écoulement, tourbillonnaire (FV4) ou purement axial (FV1). De l’ordre de 1,5. 1010 ± 0,2. 1010 cell. L-1. J-1 (pour une irradiance de surface de 260 ± 20 µmol photon. M-2. S-1 et un taux de dilution de 0,36 ± 0,01 j-1), elles permettent de couvrir quantitativement les besoins nutritifs larvaires en écloseries commerciales estimés à 1,15. 1012 cell. J-1. L’intérêt observé du mouvement tourbillonnaire réside dans une limitation des dépôts en paroi, assurant ainsi la productivité du pilote à long terme. L’ensemble de ces études a amené les éléments de choix nécessaires à la conception et au dimensionnement d’un photobioréacteur pilote (18 modules élémentaires, 120 litres), innovant, fonctionnant en continu et présentant des caractéristiques adaptées au secteur industriel des écloseries de mollusques

This thesis describes the conception and the study of a photobioreactor dedicated to aquaculture. The state of art and the technico-economic constraints proper to this activity brought the choices to a simple reactor, volume variable, cheap to produce and reliable for continuous cultures. The elementary module is made of two vertical columns, connected by flanges. An airlift injection located at the base of the column (airlift reactor) generates a swirling flow circulation in order to minimize the biofilm development on the inner side of the column. A model of 6,1 liters has been conceived to study the radiative transfers, the hydrodynamic and the biology. Coupling a radiative transfer model (two flux model) with the light-growth curve (response) of the aquacultural microalgae Isochrysis affinis galbana, allowed the prediction of the photobioreactor productivity for different experimental conditions (incident beam, dilution rate, column diameter). A compromise between productivity and costs has been obtained with a 60 mm diameter column. Hydrodynamics studies realized via conductimetric method and particle imagery velocimetry technique (PIV) have given access to radial sections of the axial and tangential velocity components, flow velocity and swirl intensity. Different air flow, air injection types and flange’s velocity factors (FV) have been tested. The swift attenuation of the swirl motion (after one meter from the injection) has been displayed prominently. To complete, aeration performance of the reactor has been determined experimentally (volumetric gaz-liquid mass transfer coefficient) and confirmed the capacity of the photobioreactor to evacuate the oxygen produced by photosynthesis. Finally, the biologic studies ran under continuous cultures revealed that the productivity reached inside the photobioreactor was similar whatever the flow type, swirl flow (FV4) or axial flow (FV1). Productivity of 1,54. 1010 ± 0,10. 1010 cell. L-1. D-1 (for a surface irradiation of 260 ± 20 µmol photon. M-2. S-1 and a dilution rate of 0,36 ± 0,01 d-1) shows that it can cover quantitatively the larval nutritive needs in commercial hatcheries estimated at 1,15. 1012 cell. D-1. The swirl motion benefit lies into limitating the biofouling on the sides and ensures the production of the pilote on the long run. The study overall results permit to determine the main feature of the components for the photobioreactor prototype conception (18 elementary modules, 120 liters). This novel study project, specifically dedicated to mollusk hatcheries gave them opportunity to run microalgae continuous cultures.