Étude du microenvironnement bactérien dans un réacteur agité aéré de biolixiviation : apport de la modélisation des phénomènes de transport en milieu triphasique

Study of the bacterial microenvironment in a bioleaching stirred tank bioreactor : transport phenomena and kinetic modelling in three-phase flow

• Auteur / Autrice : Jonathan Chéron
• Direction : Eric Olmos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Procédés biotechnologiques
• Date : Soutenance le 08/10/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Delaunay
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Olmos, Sue Harrison, Caroline Gentric, Anne-Gwénaëlle Guezennec, Laurent Cassayre
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sue Harrison, Caroline Gentric

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bioréacteurs

Modélisation CFD

Modèles mathématiques

Cinétique chimique

Lixiviation microbienne

Mots clés libres

Biolixiviation

Modélisation cinétique

Mécanique des fluides numérique (MFN)

Bioréacteurs

Bioleaching

Kinetics modelling

Computational fluid dynamics (CFD)

Bioreactors

Résumé

La biolixiviation extractive est un ensemble de technologies visant à récupérer les métaux contenus dans les ressources minérales via l'assistance de microorganismes. Ces technologies ont été mises en œuvre avec succès à l'échelle industrielle et utilisées, soit sous la forme de traitements en tas, soit en utilisant des réacteurs à cuve agitée à grande échelle. Récemment, la biolixiviation a évolué vers l'exploitation de ressources non communes (très faibles teneurs, minéralogie complexe ou forte teneur en soufre) causée par la tendance à la baisse des teneurs moyennes en métaux contenus dans les minerais. La biolixiviation en cuve agitée s'est avérée plus efficace que les traitements en décharge ou en tas pour le traitement des ressources de grande valeur (comme les minerais d'or réfractaire), principalement grâce à un meilleur contrôle du processus. Cependant, ce traitement doit encore être optimisé sur le plan technique pour atteindre une viabilité économique dans le cas des ressources non conventionnelles. Dans ce travail de thèse, un modèle couplé hydrocinétique de biolixiviation en réacteur a été développé pour modéliser et simuler le microenvironnement bactérien et sa réponse aux hétérogénéités locales du réacteur afin d'établir des critères d'optimisation. Pour cela, une étude expérimentale a été réalisée à l'échelle laboratoire afin d'obtenir les données nécessaires à la calibration des différents modèles. Cette étude comprenait des tests de biolixiviation en cuve agitée pour recueillir les paramètres cinétiques, et des études abiotiques pour déterminer les paramètres hydrodynamiques essentiels (Njs, kla). Dans une seconde étude, un modèle CFD multi-échelle solide-liquide a été développé et simulé en utilisant différentes conditions de géométries de mobiles d'agitation, de concentrations en solide et de vitesses d'agitation. L'impact de ces conditions sur l'homogénéité du solide et la contrainte mécanique perçue par les particules a été évalué et des règles de base de dimensionnement ont été extrapolées à partir des résultats. Enfin, un modèle hydrocinétique d'un réacteur de biolixiviation multi-échelle a été développé. Pour cela, un modèle CFD décrivant l'écoulement gaz-liquide a été formulé et simplifié en utilisant une approche par compartiments. Cette approche a été modélisée sur MatLab et combinée avec les résultats précédents sur les modèles cinétiques et d'hydrodynamique solide-liquide. Enfin, le modèle hydrocinétique compartimenté a été utilisé pour caractériser la cinétique de biolixiviation puis comparé aux données expérimentales.

Extractive bioleaching is a range of technologies aiming at recovering metals contained in mineral resources using biological means. It was successfully implemented at the industrial scale and used either in the form of dump or heap treatments, or by using large-scale stirred tank reactors (STR). Recently, bioleaching is evolving towards the exploitation of unusual resources (very low-grades, complex mineralogy, or high sulphur content) caused by the declining trend in mean ore grades. Bioleaching STR have proven to be more efficient than the dump or heap treatments for the treatment of high-value resources (such as refractory gold ores) mainly thanks to the better control over the process. However, it still needs further technical optimization to reach economic viability in the case of unconventional resources. In this PhD work, a coupled bioleaching STR hydrokinetic model was developed to model and simulate the bacterial microenvironment / response to the local heterogeneities of the tank in order to establish optimization criteria. First, an experimental study was performed at laboratory-scale to obtain the data necessary for the calibration of the various models. This includes bioleaching tests in STR to gather kinetics parameters and abiotic studies to determine essential hydrodynamics parameters (Njs, kla). On a second study, a multi-scale solid-liquid CFD model was developed and simulated using various conditions of impeller geometries, solid concentrations, and agitation rates. The impact of these conditions on solid homogeneity and particle stress was assessed and basic sizing rules were extrapolated from the results. Lastly, a hydro-kinetic model of a multi-scale bioleaching STR was developed. For this, a CFD model describing the gas-liquid flow was developed and simplified using a compartment approach. This approach was modelled on MatLab and combined with previous results on kinetic and solid-liquid models. Finally, the compartment hydro-kinetic model was used to characterize the kinetics of bioleaching and was compared with experimental data.