Analyse et modélisation de l'interaction réaction-mélange sur l'extrapolation des fermenteurs aérobies et anaérobies - Thèses Université Clermont Auvergne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Analysis and modeling of the reaction-mixing interaction on the scale-up of aerobic and anaerobic fermenters

Analyse et modélisation de l'interaction réaction-mélange sur l'extrapolation des fermenteurs aérobies et anaérobies

Amaury Danican
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1252875
  • IdRef : 269773258

Résumé

The development of renewable energies is now a major issue in order to cope with an ever-increasing demand of energy. The final goal is to reduce the use of fossil energy sources, which pollutes air, water and soil. Among the multiple options available, this work focuses on the production of 2nd generation biohydrogen with the dark fermentation process. It consists in the decomposition of organic waste (also called “biomass”) by anaerobic bacteria in order to produce biogas and volatile fatty acids. The interest in this process comes from the recovery of organic waste for the production of a renewable energy source. Several studies have been carried out for this reaction, especially determine the optimal biotic and abiotic parameters (pH, temperature, composition of the consortium, etc.). However, very few studies can be found on the influence of mixing within the reactor, particularly the stirring conditions and the digestate viscosity. These parameters are necessary in order to obtain a process with optimal performance and economic sustainability. This work completes the one of Benoît Chezeau (2019), focused on the coupled influence of the viscosity of Newtonian fluids and the stirring speed on the production of biohydrogen. The objective is here to analyse the impact of the flow structure and the turbulence on the biogas yield for the process using a Computational Fluid Dynamics (CFD) model validated by an experimental method of Particle Image Velocimetry (PIV). This study was also carried out on non-Newtonian fluids, which have closer properties to the organic substrates encountered in real operating conditions. This work also focuses on the influence of the mixing conditions on transport phenomena. First, for the homogenization of the fluid, thanks to a method of chemical decolourisation and Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF), which measures the mixing time. Then, gas-liquid transfer using the deoxygenation/oxygenation method which measures the volumetric coefficient kLa. A comparison is made between the results obtained for Newtonian fluids by Benoît Chezeau (2019), and the actual non-Newtonian ones. The numerical model allows correlation between the structure of the flow and the mass transfer, which opens new perspectives for the improvement of the process, particularly for the choice of mixing conditions and the design of the reactor. Finally, during this work an optical trajectography method was set up for the tracking of one or more particles, over a long period of time, using a three-camera system. The goal is to obtain a three-dimensional Lagrangian description of the flow. This is a promising method for the study of the flow within the reactor. The data obtained by the methods cited above made it possible to characterize the impact of mixing conditions on bacterial development and on the various modes of mass transfer within a non-Newtonian medium. This is a key aspect that must be considered before choosing a design of a reactor and its mixing equipment as a function of the properties of the digestate. The numerical model has proved to be highly efficient for the choice of the future operating conditions.
Le développement des énergies renouvelables est, à l’heure actuelle, un enjeu majeur pour faire face à une demande toujours croissante en énergie. Sa finalité est la réduction de l’utilisation des sources d’énergies fossiles, qui provoque la pollution de l’air, de l’eau et des sols. Parmi les nombreuses options disponibles, ce travail de thèse se concentre sur la production de biohydrogène de 2e génération par le procédé de fermentation sombre. Son principe réside dans la décomposition de déchets organiques (aussi appelés « biomasse ») par des bactéries anaérobies afin de produire du biogaz et des acides gras volatils. Ce procédé permet de valoriser les déchets organiques pour la production d’une source d’énergie renouvelable. Plusieurs études ont été menées sur ce procédé, notamment sur la recherche des paramètres biotiques et abiotiques optimaux (pH, température, composition du consortium microbien, etc.). Cependant, les conditions de mélange au sein du réacteur restent, à ce jour, très peu étudiées, notamment les conditions d’agitation et la viscosité du digestat. Ces paramètres sont indispensables à l’obtention d’un procédé au rendement optimal et économiquement viable. Cette thèse poursuit les travaux de Benoît Chezeau (2019), centrés sur les influences couplées de la viscosité de fluides newtoniens et de la vitesse d’agitation sur la production de biohydrogène, en abordant de manière détaillée l’impact de la structure de l’écoulement et notamment de la turbulence sur le rendement en biogaz du procédé grâce à un modèle de simulation numérique de l’hydrodynamique (CFD) validé par la méthode expérimentale de Vélocimétrie par Images de Particules (PIV). Cette étude a également été menée avec des fluides non-newtoniens, plus représentatifs des substrats organiques réels du procédé. Les différents transferts de matière en fonction des conditions de mélange ont été étudiés : d’abord, l’homogénéisation du fluide, grâce aux méthodes de décoloration chimique et de Fluorescence Induite par Nappe Laser (PLIF) permettant la mesure du temps de mélange ; ensuite, le transfert de matière gaz-liquide grâce à la méthode de désoxygénation/oxygénation permettant la mesure du coefficient volumétrique kLa. Une comparaison a été faite entre les résultats obtenus en milieu newtonien au cours de travaux antérieurs, et les résultats non-newtoniens de cette étude. Le modèle numérique a permis d’établir un lien entre la structure de l’écoulement et les modes de transfert de matière, ce qui permet d’ouvrir des pistes d’amélioration du procédé, notamment pour le choix des conditions d’agitation et de la configuration du réacteur. Enfin, durant ces travaux une méthode de trajectographie optique a été mise en place. Cela consiste en un suivi, sur une longue période, d’une ou plusieurs particules grâce à un système à trois caméras optiques. Le but est d’obtenir une description tridimensionnelle lagrangienne de l’écoulement de manière expérimentale. Il s’agit d’une méthode prometteuse pour l’étude de l’écoulement au sein du réacteur. Les données obtenues par les méthodes citées précédemment ont permis de caractériser l’impact des conditions de mélange sur le développement bactérien et sur les différents modes de transferts au sein d’un milieu non-newtonien. Celui-ci est joue une rôle essentiel et doit donc être pris en compte lors du choix de la configuration du réacteur et de l’agitateur en fonction des propriétés du digestat. Le modèle numérique se révèle être un outil particulièrement utile et efficace pour les futurs choix de fonctionnement du procédé.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04092484 , version 1 (09-05-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04092484 , version 1

Citer

Amaury Danican. Analyse et modélisation de l'interaction réaction-mélange sur l'extrapolation des fermenteurs aérobies et anaérobies. Génie des procédés. Université Clermont Auvergne, 2021. Français. ⟨NNT : 2021UCFAC117⟩. ⟨tel-04092484⟩
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