Modélisation du procédé bioréacteur à membranes immergées : calage et validation du modèle ASM1 sur un site réel : étude des interactions boues activées, conditions opératoires et membrane

Les bioréacteurs à membranes (BAM) sont de plus en plus utilisés dans le domaine du traitement des eaux résiduaires urbaines notamment lorsque le terrain est limité ou qu’un traitement épuratoire poussé est requis. Néanmoins, la gestion de ces installations et plus particulièrement du colmatage des membranes reste difficile et constitue toujours une source de problèmes pour les exploitants. La modélisation est un outil efficace et déjà éprouvé sur les procédés conventionnels à boues activées pour l’aide à la conduite et à la compréhension de procédé avec les modèles de boues activées de type ASM. Le traitement biologique donc, et aussi les capacités de filtration des membranes (colmatage) sont deux aspects qui peuvent être modélisés sur les BAM. Au cours de ce travail, trois installations réelles ont été étudiées et l’une d’entre elles a été choisie pour le calage du modèle ASM1. La méthodologie a été adaptée aux spécificités des bioréacteurs à membranes et de l’installation modélisée en particulier (fractionnement des eaux usées, calage de l’aération) et un nouveau jeu de paramètres de l’ASM1 a pu être constitué. L’influence des propriétés des boues activées et des conditions d’opération sur les capacités de filtration des membranes reste encore l’objet de nombreuses recherches, généralement sur installations pilotes, et la modélisation dans ce domaine n’en est qu’à ses débuts. L’objectif de ce travail concernant la filtration membranaire a été de caractériser le système « membrane/boues » à travers l’étude des interactions entre les propriétés des boues, les conditions d’opération et les paramètres de la filtration (perméabilité membranaire et vitesse de colmatage) à comparer avec les résultats de la littérature scientifique. Les deux BAM étudiés ont montré des comportements et relations entre paramètres assez différents confirmant la complexité des interactions entre membrane, boues et conditions opératoires.Membrane bioreactors (MBRs) are becoming increasingly popular for the treatment of municipal wastewater especially when land is limited or when the treatment requirements are high. Nevertheless, the operation of these plants and in particular the fouling of the membrane are still difficult to manage for the operators. Modelling is an efficient tool, which has already been successfully used on conventional activated sludge processes, for the operation and the understanding of the process using Activated Sludge Models (ASM). Biological treatment and membranes filtration capacity (fouling) are two aspects that can be modeled on MBRs. In this work, three full-scale plants were investigated and one of them was chosen for the ASM1 calibration. The usual methodology was adapted to the MBR specificities and to the modeled wastewater treatment plant in particular (wastewater fractionation, oxygen calibration) and a new set of ASM1 parameters was estimated. The influence of the sludge properties and the operating conditions on the membrane filtration capacity is still the subject of numerous studies, generally on pilot-scale MBRs, and modelling is in its early stages. The objective of this work regarding membrane filtration was to characterize the “membrane/sludge” system by studying the interactions between the sludge properties, the operating conditions and the filtration parameters (membrane permeability and fouling rate) and to compare them with the results from the literature. The two studied MBRs showed quite different behaviors and correlations between parameters, validating the statement that the interactions between membranes, sludge and operating conditions are very complex

Algal Biomass: From Bioproducts to Biofuels

Microalgae covers an extremely diverse type of unicellular microorganisms that use light and efficiently fix CO2 through the process of photosynthesis [...

Modélisation du procédé bioréacteur à membranes immergées (calage et validation du modèle ASM1 sur un site réel)

Les bioréacteurs à membranes (BAM) sont de plus en plus utilisés dans le domaine du traitement des eaux résiduaires urbaines notamment lorsque le terrain est limité ou qu un traitement épuratoire poussé est requis. Néanmoins, la gestion de ces installations et plus particulièrement du colmatage des membranes reste difficile et constitue toujours une source de problèmes pour les exploitants. La modélisation est un outil efficace et déjà éprouvé sur les procédés conventionnels à boues activées pour l aide à la conduite et à la compréhension de procédé avec les modèles de boues activées de type ASM. Le traitement biologique donc, et aussi les capacités de filtration des membranes (colmatage) sont deux aspects qui peuvent être modélisés sur les BAM. Au cours de ce travail, trois installations réelles ont été étudiées et l une d entre elles a été choisie pour le calage du modèle ASM1. La méthodologie a été adaptée aux spécificités des bioréacteurs à membranes et de l installation modélisée en particulier (fractionnement des eaux usées, calage de l aération) et un nouveau jeu de paramètres de l ASM1 a pu être constitué. L influence des propriétés des boues activées et des conditions d opération sur les capacités de filtration des membranes reste encore l objet de nombreuses recherches, généralement sur installations pilotes, et la modélisation dans ce domaine n en est qu à ses débuts. L objectif de ce travail concernant la filtration membranaire a été de caractériser le système membrane/boues à travers l étude des interactions entre les propriétés des boues, les conditions d opération et les paramètres de la filtration (perméabilité membranaire et vitesse de colmatage) à comparer avec les résultats de la littérature scientifique. Les deux BAM étudiés ont montré des comportements et relations entre paramètres assez différents confirmant la complexité des interactions entre membrane, boues et conditions opératoires.Membrane bioreactors (MBRs) are becoming increasingly popular for the treatment of municipal wastewater especially when land is limited or when the treatment requirements are high. Nevertheless, the operation of these plants and in particular the fouling of the membrane are still difficult to manage for the operators. Modelling is an efficient tool, which has already been successfully used on conventional activated sludge processes, for the operation and the understanding of the process using Activated Sludge Models (ASM). Biological treatment and membranes filtration capacity (fouling) are two aspects that can be modeled on MBRs. In this work, three full-scale plants were investigated and one of them was chosen for the ASM1 calibration. The usual methodology was adapted to the MBR specificities and to the modeled wastewater treatment plant in particular (wastewater fractionation, oxygen calibration) and a new set of ASM1 parameters was estimated. The influence of the sludge properties and the operating conditions on the membrane filtration capacity is still the subject of numerous studies, generally on pilot-scale MBRs, and modelling is in its early stages. The objective of this work regarding membrane filtration was to characterize the membrane/sludge system by studying the interactions between the sludge properties, the operating conditions and the filtration parameters (membrane permeability and fouling rate) and to compare them with the results from the literature. The two studied MBRs showed quite different behaviors and correlations between parameters, validating the statement that the interactions between membranes, sludge and operating conditions are very complex.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Liquefaction, cracking and hydrogenation of microalgae biomass resources to ▫CO2CO_2▫ negative advanced biofuels

Deoxygenation of triglycerides is one of the crucial pathways for the production of oxygen-free hydrocarbons and biofuels that are fully compatible with conventional internal combustion engines. The one-step liquefaction and hydrotreatment of Chlorella sorokiniana microalgae was investigated in a three-phase slurry reactor. The production of diesel-like hydrocarbons was successfully accomplished over sulfide form of NiMo/Al2O3 catalyst under hydrogen atmosphere. The present work contains a comprehensive investigation of the temperature and hydrogen pressure influence on the final product composition. The highest yield of C18 and C16 (26.1% and 10.7%, respectively) was reached by increasing the reaction temperature to 350 °C and hydrogen pressure to 50 bar, while at milder conditions (200 °C and 20 bar) the products appeared only in trace concentrations. In order to obtain an accurate kinetic model, reaction mechanism was first needed to be determined based on experimentally obtained products and intermediates. A simplified reaction pathway contains liquefaction, hydrogenolysis, hydrodeoxygenation, decarboxylation and decarbonylation. The model comprises mass transfer phenomena involved in the liquefaction process, the mass transfer of hydrogen from gas to liquid phase, adsorption, desorption and surface reaction kinetics. The lowest rate constant was calculated for the microalgae conversion to triglycerides (k0 = 1.93 × 10−6 min−1), indicating slow liquefaction

Développement d’une méthode LC x SFC MS/MS hors ligne pour l’analyse de phytostérols issus des microalgues

National audienc

Développement d'une méthode LC x SFC -MS/MS hors ligne pour l'analyse de phytostérols issus des microalgues

National audienceLes microalgues sont des organismes unicellulaires qui possèdent une croissance rapide. De ce fait, ces organismes photosynthétiques sont une source durable de biocarburants. Les microalgues ont aussi la particularité de pouvoir produire des substances industriellement intéressantes utilisées en médecine, en cosmétique ou comme compléments alimentaires pour lutter contre la malnutrition.L’utilisation de microalgues cultivées par l’industrie neutraceutique permet l’accès à de nouvelles sources de lipides bioactifs notamment à des phytostérols peu présents dans les plantes terrestres. Chez l’Homme, les aliments riches en phytostérols participent à la régulation du taux de cholestérol grâce à une structure biochimique très proche, ainsi qu’à la fabrication de nombreuses hormones comme les hormones stéroïdes et la vitamine D.Les phytostérols sont des composés analogues qui se différencient uniquement par le nombre et la position d’insaturations dans le cycle ou sur la chaine latérale. Cette grande similitude structurelle avec un certain nombre d’isomères de position rend la séparation et l’identification relativement difficile. La chromatographie bidimensionnelle LC x SFC présente un grand degré d’orthogonalité adaptée aux molécules neutres, et une sélectivité suffisante pour séparer des isomères de position. Le couplage en mode hors ligne de ces deux dimensions chromatographiques permet la mise en œuvre de la spectrométrie de masse haute résolution avec fragmentation (MS/MS). Le développement chromatographique a été réalisé sur un mélange de 7 phytosterols représentatifs du monde algal (campestérol, fucostérol, α-spinastérol, stigmastérol, cholestérol, sitostérol et ergostérol) ainsi que 2 de leurs précurseurs (farnésol et phytol). Puis la méthode bidimensionnelle LC x SFC - MS/MS a été appliquée sur des extraits d’algues préalablement saponifiés. Les résultats, présentés sous forme de cartographies 2D-contour plot, permettent la comparaison des compositions en phytostérols recherchés dans différentes espèces de microalgues. La LC x SFC démontre sa capacité à séparer des isomères de position, notamment dans le cas où ceux-ci fragmentent de manière similaire en MS/MS. La combinaison de 4 informations par molécule (2 temps de rétention, masse et spectre de fragmentation) permet de confirmer la présence de molécules cibles, tout en facilitant la recherche de structures de phytostérols algaux encore inconnus

The challenge of measuring biofuel sustainability: A stakeholder-driven approach applied to the French case

International audienceMeasuring biofuel sustainability requires dealing with a wide variety of complex and conflicting values at stake. Consequently, the biofuel capacity to contribute to one specific value cannot lead to any absolute conclusion about the overall sustainability of biofuel. The scope of the sustainability concept may vary depending on individuals' preferences, the time scale and the geographical region. Based on the 5 pillars sustainability concept that includes social, economic, environmental, legal and cultural considerations, the present study proposes to assess several biofuel sustainability options for France by 2030 through a stakeholder-driven approach. Rather than seeking to reach a consensus, our approach allows us to capture the wide diversity of stakeholders' perspectives and preferences. French stakeholders perceive 22 different sustainability criteria for biofuels with a very low level of agreement between the different segments of professions (feedstock producers, biofuel producers, refining industry, fuel distributors, car manufacturers, end-users, government and NGOs). In order to operationalize the sustainability assessment, a set of indicators has been identified with stakeholders that allows us to measure the capacity of biofuels to fulfill each of their criteria. Seventeen biofuel options were assessed with regards to economic, social, environmental, cultural and legal considerations, allowing the identification of the strengths and weaknesses of each biofuel

The Environmental Biorefinery: Using Microalgae to Remediate Wastewater, a Win-Win Paradigm

Microalgae have been shown to be a source of multiple bio-based products ranging from high value molecules to commodities. Along with their potential to produce a large variety of products, microalgae can also be used for the depollution of wastewaters of different origins (urban, industrial, and agricultural). This paper is focused on the importance of harnessing the bioremediation capacity of microalgae to treat wastewaters in order to develop the microalgae industry (especially the microalgae biofuel industry) and to find other alternatives to the classic wastewater treatment processes. The current research on the potential of microalgae to treat a specific wastewater or a targeted pollutant is reviewed and discussed. Then, both strategies of selecting the best microalgae strain to treat a specific wastewater or pollutant and using a natural or an artificial consortium to perform the treatment will be detailed. The process options for treating wastewaters using microalgae will be discussed up to the final valorization of the biomass. The last part is dedicated to the challenges which research need to address in order to develop the potential of microalgae to treat wastewaters

Photosynthetic Carbon Uptake Correlates with Cell Protein Content during Lipid Accumulation in the Microalga Chlorella vulgaris NIES 227

Large-scale microalgae cultivation for biofuel production is currently limited by the possibility of maintaining high microalgae yield and high lipid content, concomitantly. In this study, the physiological changes of Chlorella vulgaris NIES 227 during lipid accumulation under nutrient limitation was monitored in parallel with the photosynthetic capacity of the microalgae to fix carbon from the proxy of oxygen productivity. In the exponential growth phase, as the biomass composition did not vary significantly (approx. 53.6 ± 7.8% protein, 6.64 ± 3.73% total lipids, and 26.0 ± 9.2% total carbohydrates of the total biomass dry-weight), the growth capacity of the microalgae was preserved (with net O2 productivity remaining above (4.44 ± 0.93) × 10−7 g O2·µmol PAR−1). Under nutrient limitation, protein content decreased (minimum of approx. 18.6 ± 6.0%), and lipid content increased (lipid content up to 56.0 ± 0.8%). The physiological change of the microalgae was associated with a loss of photosynthetic activity, down to a minimum (1.27 ± 0.26) × 10−7 g O2·µmol PAR−1. The decrease in photosynthetic O2 productivity was evidenced to correlate to the cell internal-protein content (R2 = 0.632, p = 2.04 × 10−6, N = 25). This approach could serve to develop productivity models, with the aim of optimizing industrial processes

Microalgae starch-based bioplastics: Screening of ten strains and plasticization of unfractionated microalgae by extrusion

International audienceMicroalgae were considered in this work as a new resource for developing starch-based bioplastics. Ten green microalgae strains were screened at lab-scale for their ability to produce starch. A long run (800 h) two-stage accumulation strategy was designed with successive cultivation in sulfur-replete, then sulfur-depleted medium in autotrophic conditions. Starch content was assessed on cell lysate by enzymatic digestion of extracted starch into glucose. Chlamydomonas reinhardtii 11-32A strain was selected as it displayed a maximum starch-to-biomass ratio of 49% w/w, 460 h after being switched to a sulfur-deprived medium. Small-scale pilot production (30 L tubular photobioreactor) with C. reinhardtii 11-32A yielded sufficient biomass quantity to investigate its direct plasticization with glycerol in a twin-screw extruder. Microstructural characterization confirmed the ability for starch-enriched microalgae to be homogeneously plasticized, and hence the possibility to use microalgae as a new platform for the development of bioplastics