Caractérisation de l'hydrodynamique et des transferts gaz-liquide dans un photobioréacteur intensifié : étude de l'effet du bullage sur le développement de biofilm micro-algal

• Auteur / Autrice : Charlène Thobie
• Direction : Caroline Gentric, Jérémy Pruvost, Walid Blel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 17/04/2018
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• 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 : Václav Sobolík
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Roig
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Schmitz, Eric Olmos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photobioréacteurs

Biofilms

Colonnes à bulles (réacteurs chimiques)

Interfaces gaz-liquide

Mots clés libres

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Résumé

Ces travaux de recherche concernent la caractérisation de l’hydrodynamique (globale et locale) et des transferts gaz-liquide dans une colonne à bulles confinée (4 mm d’épaisseur) en vue d’une utilisation comme photobioréacteur intensifié, c'est-à-dire à haute concentration cellulaire. La problématique des biofilms se développant sur les parois de photobioréacteurs est également traitée. L’hydrodynamique particulière dans cette colonne confinée a été caractérisée sur trois fluides de viscosités différentes pour tenir compte de la modification du comportement rhéologique de la culture de microalgues. Un des principaux résultats de cette étude est que les transitions de régime apparaissent pour des vitesses superficielles beaucoup plus faibles que dans une colonne conventionnelle. Les expériences de transfert gaz-liquide effectuées ont montré que celui-ci est moins efficace qu’en colonne à bulles classique même si le carbone inorganique ne semble pas être limitant pour la croissance, même à faibles vitesses superficielles de gaz. Une étude de l’hydrodynamique locale a été également effectuée pour caractériser la phase liquide et la phase gazeuse mettant en évidence la présence de deux régimes de transition et permettant de voir l’effet des différentes zones de l’écoulement sur les profils de vitesse et de leurs fluctuations. Enfin, le dernier point de cette étude a été de trouver des stratégies pour limiter le développement de biofilm sur les parois par utilisation de séquences de bullage.

This research concerns the characterization of global and local hydrodynamics and gas-liquid transfer in a confined bubble column (4 mm thick) intended for intensified photobioreactor cultivation (high cell concentration). The issue of biofilms that develop on the photobioreactor walls is also treated. The particular hydrodynamics in this confined bubble column is characterized for three fluids of increasing viscosity to reflect the change in rheological behavior of the microalgal culture. One of the main results of this study is that the regime transitions appear for much lower gas superficial velocities than in a conventional column. The gas-liquid transfer in confined bubble column is less efficient than in conventional bubble columns even if the inorganic carbon does not seem to be limiting for microalgae growth, even at low gas superficial velocities. A study of the local hydrodynamics is also carried out to characterize the liquid phase and the gas phase, highlighting the presence of two transition regimes and allowing to point out the effect of the different zones of the flow on the velocity profiles and their fluctuations. Finally, the last point of this study is to find strategies to limit the development of biofilm on the walls by using bubbling sequences.