ÉTUDE DE LA PRESSION LOCALE ET INSTANTANEE DANS UN MODULE DE FILTRATION DYNAMIQUE (TECHNOLOGIE RVF) POUR L’INTENSIFICATION DES BIOREACTEURS MEMBRANAIRES INDUSTRIELS (BRM)

INVESTIGATION OF LOCAL AND INSTANTANEOUS PRESSURE IN A DYNAMIC FILTRATION MODULE (RVF TECHNOLOGY) TO INTENSIFY INDUSTRIAL MEMBRANE BIO-REACTOR (MBR)

• Auteur / Autrice : Ming Cheng
• Direction : Luc Fillaudeau, Philippe Schmitz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénieries microbienne et enzymatique
• Date : Soutenance le 05/04/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering - Toulouse Biotechnology Institute / TBI
• Jury : Président / Présidente : Alain Liné
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luc Fillaudeau, Philippe Schmitz, Ulrich Kruhne, Fethi Aloui, Luhui Ding, Xiaomin Xie
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ulrich Kruhne, Fethi Aloui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Hydrodynamique

Mots clés libres

Filtration dynamique

Analyse bibliographique

Hydrodynamique

Pression locale et instantanée

Fréquence de résonance

Cfd

Dynamic filtration

Bibliographic analysis

Hydrodynamics

Local and instantaneous pressure

Resonance frequency

Cfd

Résumé

La filtration dynamique (FD) affiche des performances supérieures (rétention, perméation) aux filtrations frontale et tangentielle pour diverses applications (biotechnologies environnementale, agro-industrielle et blanche). Ce doctorat explore l’hydrodynamique complexe aux échelles globale et locale du module «Rotating & Vibrating Filtration» (RVF) pour comprendre et expliquer ses performances dans les bioréacteurs à membrane (MBR). Les objectifs sont de proposer une revue exhaustive et une classification des modules de FD, de développer un dispositif expérimental pour des mesures locales et instantanées de la force motrice (pression), puis de décrire les fluctuations de pression en utilisant 3 approches théoriques, et enfin de valider la simulation numérique des écoulements (CFD) en régimes laminaire et turbulent. Combinées aux travaux précédentes, l’hydrodynamique du module RVF en régimes laminaire et turbulent a été approfondie pour répondre à de nouvelles questions scientifiques. Les paramètres globaux, semi-locaux et locaux ont été caractérisés au cours de campagnes expérimentales avec des fluides modèles newtoniens et 3 agitateurs différents (Imp 1, 2 et 3). Pour l'approche globale, des courbes de frottement et de consommation de puissance ont été établies en fonction du nombre de Reynolds d'agitation et de pompage. La puissance mécanique calculée avec la corrélation empirique de la contrainte de cisaillement locale était sous-estimée. L'équilibre entre la puissance nominale et la dissipation thermique a été étudié. Pour des conditions de fonctionnement spécifiques (débit d'alimentation, taux de mélange, viscosité), l'augmentation de la température (entrée/sortie) supérieure à 5℃ peut être dommageable pour la croissance microbienne ou la bioproduction. Pour les approches semi-locale et locale, la pression locale à la surface de la membrane a été mesurée avec un substrat poreux spécialement conçu et instrumenté. La pressi on radiale moyenne et le coefficient d'entrainement (k) ont été quantifiés en fonction du débit, de la viscosité, de la position radiale, de la forme du mobile et de la vitesse de rotation. La pression instantanée se compose des contributions moyenne et fluctuante qui sont identifiées en utilisant l'analyse statistique (SA), la fonction de distribution de probabilité (PDF) et la transformation rapide de Fourier (FFT). En régime turbulent, la "fréquence de résonance" a été identifiée à 21.1 Hz (Imp 1), ce qui induit la fluctuation de pression maximale qui ne peut être négligée pendant le processus de microfiltration. Dans ce cas, les fluctuations de pression périodiques dominent par opposition aux signaux de pression aléatoires. Des corrélations empiriques sont établies pour estimer leurs intensités en fonction de la fréquence de rotation et de la position radiale. En régime laminaire, la fluctuation de la pression augmente avec le taux de mélange (0 à 30 Hz), mais reste négligeable (sous 30 mbar) en raison d’une forte diminution de la contribution périodique. En dernier lieu, la CFD simule les champs d'écoulement pour une comparaison avec les mesures expérimentales de pression locale et de vitesse. La transition d'un écoulement avec des couches limites séparées à fusionnées est observée avec la vitesse de rotation (instabilité). Cette technique fournit des idées constructives pour optimiser la conception de la cellule.

Dynamic filtration (DF) exhibits superior performances (high permeate flux, fouling limitation) to dead-end and cross-flow filtrations for various applications (water treatment, food engineering, bioprocess engineering). This PhD is devoted to exploring a technology called Rotating and Vibration Filtration (RVF) to get insight into its complex hydrodynamics at global and local scales, to understand and to explain its performances in membrane bio-reactor (MBR). The objectives are to propose an exhaustive benchmarking and classification of DF modules, to develop an experimental device for local and instantaneous measurements of the driving force (pressure), then to describe pressure fluctuations using 3 different theoretical approaches, and finally to validate Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation in laminar and turbulent regimes. Combined with previous studies, the investigation of hydrodynamics in laminar and turbulent regimes were furtherly scrutinised to answer new scientific questions. Global, semi-local and local parameters have been characterized during experimental campaigns with Newtonian model fluids and 3 different impellers (Imp 1, 2 and 3). Then, the experimental data were confronted with numerical simulations. For global approach, friction and power consumption curves were established as a function of mixing and feeding Reynolds number. The calculated mechanical power with the empirical correlation of local shear stress was underestimated. The balance between nominal power and thermal dissipation was investigated. For specific operating conditions (feeding flowrate, mixing rate, viscosity), the increase of temperature (inlet/outlet) superior to 5℃ may be damageable for cell culture growth or bioproduction.For semi-local and local approaches, the local pressure at the membrane surface was measured with a specially designed and instrumented porous substrate. Mean radial pressure and core velocity coefficient (k) were quantified versus flowrate, viscosity, radial position, impeller shape and mixing rate. The instantaneous pressure is decomposed into the time-averaged pressure and its fluctuating quantities using Statistical Analysis (SA), Probability Distribution Function (PDF) and Fast Fourier Transform (FFT). In turbulent regime, The "resonance frequency" of Imp 1 was clearly identified at 21.1 Hz, which induces the maximum pressure fluctuation that cannot be neglected during microfiltration process. Wherein, periodic pressure fluctuations dominate as opposed to random pressure signals. The empirical correlations are established to estimate their intensities as a function of rotation frequency and radial position. In laminar regime, the pressure fluctuation increases with the mixing rate (0 to 30 Hz), but remains negligible (below 30 mbar) due to the sharp decline of the periodic contribution. Considering CFD approach, the flow fields were simulated, and compared with local pressure and previous velocity measurements. The flow transition from separated to merged boundary layers is observed with the impeller rotation, which induces the unsteady flow. This technoloigy provides the constructive ideas for optimizing the cell design.