Modélisation multi-échelle de bioréacteurs gaz-liquide : Application à la méthanation biologique

Multiscale modelling of gas-liquid bioreactors : Biological Methanation Application

• Auteur / Autrice : Vincent Ke Sen Ngu
• Direction : Arnaud Cockx, Jérôme Morchain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 17/11/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering - Toulouse Biotechnology Institute / TBI
• Jury : Président / Présidente : Anne-Marie Billet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Haut, Cees Haringa, Claire Dumas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Krist V. Gernaey, Roland Rzehak

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bioréacteurs

Modélisation CFD

Méthanisation

Interfaces gaz-liquide

Mots clés libres

Transfert de matière gaz-Liquide

Modélisation multiéchelle

Colonne à bulles

Méthanation biologique

Cfd

Changement échelle

Gas-Liquid mass transfer

Multiscale modelling

Bubble column

Biological methanation

Cfd

Scale up

Résumé

Le changement d’échelle des bioprocédés de l'échelle de laboratoire à l'échelle industrielle est très complexe car des pertes de performance sont généralement observées tout au long du processus de changement d‘échelle. Dans ce contexte, les modèles numériques sont nécessaires pour effectuer des modélisations prédictives et des simulations de bioréacteurs qui facilitent la procédure de changement d’échelle, en menant à une conception optimale du réacteur et à de meilleures performances. Dans cette thèse, la conception du bioréacteur qui nous intéresse est le réacteur à colonne à bulles. Les réacteurs à colonne à bulles sont largement utilisés dans les industries chimiques et de bioprocédés grâce à leurs bonnes propriétés de mélange, de transfert de chaleur et de masse. Cependant, la modélisation des colonnes à bulles est très difficile en raison des phénomènes multiphysiques fortement couplés en termes d'écoulement multiphasique, de transfert de masse et de (bio)réaction. Le présent travail vise à élucider les mécanismes de couplage en utilisant une approche de modélisation multi-échelle et tente de modéliser les bioréacteurs à colonne à bulles dans une large gamme de conditions et d'applications. Dans cette thèse, un nouveau modèle 1D spatio-temporel couplage à double sens est proposé pour aborder le phénomène de couplage de l'hydrodynamique et du transfert de masse (bio)réactif. La validation du modèle a été réalisée avec de mesures hydrodynamiques et de données expérimentales de méthanation biologique obtenues par l'équipe Symbiose de Toulouse Biotechnology Institute. De plus, des données de la littérature et des cas tests numériques ont été utilisés pour valider le modèle. Après la validation du modèle, le modèle 1D dynamique et complet a été appliqué pour réaliser des simulations multiphysiques de différents (bio)procédés, y compris l'absorption physique et chimique du CO2, le transfert d'oxygène, la méthanation biologique et la fermentation de la levure, démontrant la robustesse du modèle. Par exemple, le modèle 1D prédit les gradients de substrat dans les fermenteurs à l'échelle industrielle tout aussi bien que le modèle CFD. De même, dans le contexte du génie chimique, le modèle 1D rend relativement bien le transfert de masse du CO2 dans une colonne de bulles réactives, comparé au modèle CFD. La particularité de ces procédés est le fait que les principaux substrats sont alimentés par la phase gazeuse, ce qui conduit à la possibilité d'un régime de limitation du transfert de masse gaz-liquide. Par exemple, la méthanisation biologique est généralement limitée par le transfert de masse de l'hydrogène. Dans ce travail, un modèle pratique de méthanation biologique est proposé pour traiter les descriptions de la bioréaction dans les régimes de limitation du transport biologique et physique. En outre, un modèle CFD eulérien est également développé pour le processus de méthanation biologique et une comparaison détaillée avec les données expérimentales et les prédictions du modèle 1D est effectuée. Des modèles 0D asymptotiques et des solutions analytiques ont également été développés pour certaines applications afin de démêler le processus fondamental et de mettre en évidence les paramètres de contrôle du procédé. Cette stratégie de modélisation multi-échelle a permis d'acquérir de nouvelles connaissances fondamentales sur la modélisation des réacteurs multiphasiques, principalement l'utilisation de modèles pertinents en fonction du sujet de recherche, la mise en œuvre de fermetures appropriées dans la modélisation des phénomènes de couplage multiphysique, et l'identification des paramètres de contrôle de ces procédés. En bref, grâce à cette thèse de doctorat, des outils de modélisation numérique (modèles 0D, 1D et CFD) ont été développés pour des applications de colonnes à bulles, afin de mieux comprendre les phénomènes physiques et biologiques multi-échelles et de minimiser le risque de changement d’échelle de bioprocédés.

Upscaling biochemical processes from the laboratory scale to industrial scale is very challenging as performance losses are typically observed along the scale-up process. In this context, numerical models are required to perform predictive modelling and bioreactor simulations which facilitate the scale-up procedure, leading to an optimum reactor design and improved performances. In this thesis, the bioreactor design of interest is the bubble column reactor. Bubble column reactors are widely used in the chemical and bioprocess industries due to their good mixing, heat and mass transfer properties. However, the modelling of bubble columns is very challenging due to highly coupled multiphysics phenomena in terms of multiphase flow, mass transfer and (bio)reaction. The present work aims to unravel the coupling mechanisms by using a multiscale modelling approach and attempts to model bubble column bioreactors under a wide range of conditions and applications. In this PhD thesis, a novel two-way coupled spatio-temporal 1D model is proposed to tackle the hydrodynamics and (bio)reactive mass transfer two-way coupling phenomenon. The model validation has been conducted using own-measured hydrodynamics data and biological methanation experimental data obtained by the Symbiose team at Toulouse Biotechnology Institute. Furthermore, literature data and numerical test cases have been used to validate the model, particularly the hydrodynamics and mass transfer aspects of the model. Following the model validation, the comprehensive, dynamic 1D model has been applied to perform multiphysics simulations of different (bio)processes, including CO2 physical absorption, CO2 chemisorption, oxygen transfer, biological methanation, and yeast fermentation, highlighting the robustness of the model. For instance, the 1D model predicts the substrate gradients in industrial-scale fermenters just as well as the CFD model. Similarly, in the chemical engineering context, the 1D model yields relatively well the CO2 mass transfer in a reactive bubble column, compared with the CFD model. The particularity of these processes is the fact that the major substrates are fed through the gas phase, leading to the possibility of a gas-liquid mass transfer limitation regime. For example, biological methanation is usually limited by the hydrogen mass transfer phenomenon. In this work, a practical biological methanation model is proposed to handle the bioreaction descriptions in both biological and physical transport limiting regimes. Moreover, Eulerian CFD model is also developed for biological methanation process and a detailed comparison with the experimental data and 1D model predictions is conducted. Asymptotic 0D models and analytical solutions have also been developed for some applications to shed light on the underlying process and highlight the controlling parameters. This multiscale modelling strategy has drawn new fundamental insights into multiphase reactor modelling, primarily the use of appropriate models according to the subject of research, the implementation of suitable closures in the modelling of multiphysics coupling phenomena, and the identification ofcontrolling parameters of such processes. In short, through this PhD thesis, efficient numerical modelling tools (0D, 1D, and CFD models) have been developed for primarily bubble column applications to gain an understanding of the multiscale physical and biological phenomena in order to minimise the risk of upscaling the bioprocess.