Photobioréacteur de type colonne à bulles confinée : hydrodynamique, transfert gaz-liquide, influence des bulles sur le cisaillement pariétal et performances de production

Thin-gap bubble column photobioreactor : hydrodynamics, gas-liquid mass transfer, bubble influence on wall shear stress and production performance

• Auteur / Autrice : Abdallah Haydar
• Direction : Caroline Gentric, Walid Blel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Nantes Université
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génie des Procédés Environnement – Agroalimentaire (GEPEA) (Saint-Nazaire)
• Jury : Président / Présidente : Anne-Marie Billet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ridha Mosrati
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Augier, Victor Pozzobon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biofilms

Chlorella vulgaris

Photobioréacteurs

Mots clés libres

Colonne à bulles confinée

Hydrodynamique

Transfert de matière gaz-liquide

Microalgue

Thin-gap bubble column

Hydrodynamics

Gas-liquid mass transfer

Microalgae

Résumé

Les photobioréacteurs (PBRs) de type colonnes à bulles confinées, généralement de quelques millimètres d’entrefer, permettent théoriquement d’augmenter la productivité volumique en biomasse. Dans le cadre de cette thèse, une caractérisation approfondie de l’hydrodynamique globale et locale ainsi que du transfert de matière gaz-liquide a été réalisée dans une colonne à bulles confinée d’épaisseur 2 mm avec une viscosité élevée de la phase liquide et modifiant son comportement de Newtonien à non-Newtonien rhéofluidifiant. La concentration élevée de microalgue Chlorella vulgaris (≈ 42 g.L-1) a été simulée en utilisant des solutions aqueuses de glycérol à 50% m/m et de gomme xanthane aux concentrations 0,5 et 1 g.L-1. L’objectif est de mieux comprendre l’influence du confinement, de l’injection et des propriétés rhéologiques de la phase liquide sur les paramètres hydrodynamiques globaux clés, tels que le taux de vide, les régimes d’écoulement, le temps de mélange et le transfert gaz-liquide. Afin de compléter l’étude globale, une caractérisation de la phase gazeuse a été réalisée. L’hydrodynamique en proche paroi a été aussi caractérisée, afin d’identifier la contribution de la dynamique des bulles sur les contraintes de cisaillement à la paroi. Enfin, les connaissances acquises avec les essais de fluides modèles ont été mises à l’épreuve pour maximiser la productivité de la biomasse microalgale, en exploitant ce PBR intensifié en mode de culture continu avec Chlorella vulgaris.

Thin-gap bubble column photobioreactors (PBRs), typically with a few millimeters’ gaps, theoretically offer the potential to increase volumetric biomass productivity. In the context of this thesis, a comprehensive characterization of both global and local hydrodynamics, as well as gas-liquid mass transfer, is conducted within a confined bubble column having a 2 mm thickness and at high viscosity of the liquid phase, changing from Newtonian to non-Newtonian shear-thinning behavior. The high concentration of microalgae Chlorella vulgaris (≈ 42 g.L-1) is mimicked using aqueous solutions of 50 wt% glycerol and xanthan gum at 0.5 and 1 g.L-1. The objective is to better understand the influence of confinement, injection, and rheological properties of the liquid phase on global hydrodynamic parameters, such as gas holdup, flow regimes, mixing time, and gas-liquid mass transfer. To complete the global study, a characterization of the gaseous phase is performed. The hydrodynamics near the walls are also characterized to identify the contribution of bubble dynamics to wall shear stress. Finally, the knowledge acquired from model fluids experiments is used in culture experiments to optimize the production of microalgal biomass. This was achieved by using this intensified PBR in a continuous culture mode with Chlorella vulgaris.