Analyse et étude numérique des effets de mélange dans un bioréacteur

Ce travail de thèse part d’un constat : lors de l’augmentation de la taille des bioréacteurs, des\ud baisses significatives de performances sont observées lors de certaines cultures industrielles.\ud Dans ces cultures, la diminution de la qualité du mélange entre la solution d’alimentation en\ud substrat et le milieu de culture est considérée comme étant l’une des causes principales de la\ud diminution des performances lors de l’extrapolation des bioréacteurs.\ud L’objectif de ce travail de thèse a alors été d’étudier le mélange dans les bioréacteurs de type\ud cuve agitée afin d’analyser les interactions potentielles entre mélange et réaction biologique.\ud L’étude du mélange a été réalisée en utilisant la Mécanique des Fluides Numériques. Deux\ud simulations ont été réalisées : une simulation basée sur les équations de Navier-Stokes\ud en moyenne de Reynolds (RANS), et une simulation des grandes échelles ou Large Eddy\ud Simulation.\ud La première étape de ce travail a été de valider les résultats des deux simulations réalisées\ud avec des données expérimentales disponibles dans le jet de l’agitateur. La comparaison\ud des données expérimentales et numériques montrent qu’une simulation permet de résoudre\ud l’hydrodynamique avec une excellente précision, elle a donc été utilisée pour caractériser le\ud mélange au sein de la cuve. Un traçage numérique a été réalisé afin notamment d’étudier\ud l’influence de la position du point d’injection sur le mélange. Simultanément à l’injection des\ud traceurs, un suivi lagrangien de particules a également été réalisé dans le but d’étudier les\ud variations de l’environnement que peuvent expérimenter des microorganismes\ud ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------This study is based on a observation : when the size of a bioreactor increases, the biological\ud production performances tend to decrease for some industrial cultures. This decrease is due in\ud part to the reduction of the mixing efficiency with the scale-up of the bioprocess.\ud Thus, the aim of this thesis was to study the mixing process in a bioreactor and to analyse the\ud interactions between mixing and biological reactions. The mixing study was performed using\ud Computational Fluid Dynamics. Two kinds of simulation were used : a Reynolds-Averaged\ud Navier-Stokes simulation and a Large Eddy Simulation.\ud The first step was to assess the numerical hydrodynamics of the two simulations from results\ud obtained by Particule Image Velocimetry experiments in the impeller discharge of the stirred\ud tank used. These first results have shown that the Large Eddy Simulation solve with an\ud excellent accuracy the hydrodynamics, so the LES was used to caracterize mixing in the tank.\ud The mixing of an inert scalar was followed to study the influence of the injection location on\ud the mixing process. At the same time, a Lagrangian particle tracking was performed to study\ud the variation of their microenvironment that can be observed by microorganisms-------------------------------

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Ce travail de thèse part d un constat : lors de l augmentation de la taille des bioréacteurs, des baisses significatives de performances sont observées lors de certaines cultures industrielles. Dans ces cultures, la diminution de la qualité du mélange entre la solution d alimentation en substrat et le milieu de culture est considérée comme étant l une des causes principales de la diminution des performances lors de l extrapolation des bioréacteurs. L objectif de ce travail de thèse a alors été d étudier le mélange dans les bioréacteurs de type cuve agitée afin d analyser les interactions potentielles entre mélange et réaction biologique. L étude du mélange a été réalisée en utilisant la Mécanique des Fluides Numériques. Deux simulations ont été réalisées : une simulation basée sur les équations de Navier-Stokes en moyenne de Reynolds (RANS), et une simulation des grandes échelles ou Large Eddy Simulation. La première étape de ce travail a été de valider les résultats des deux simulations réalisées avec des données expérimentales disponibles dans le jet de l agitateur. La comparaison des données expérimentales et numériques montrent qu une simulation permet de résoudre l hydrodynamique avec une excellente précision, elle a donc été utilisée pour caractériser le mélange au sein de la cuve. Un traçage numérique a été réalisé afin notamment d étudier l influence de la position du point d injection sur le mélange. Simultanément à l injection des traceurs, un suivi lagrangien de particules a également été réalisé dans le but d étudier les variations de l environnement que peuvent expérimenter des microorganismesThis study is based on a observation : when the size of a bioreactor increases, the biological production performances tend to decrease for some industrial cultures. This decrease is due in part to the reduction of the mixing efficiency with the scale-up of the bioprocess. Thus, the aim of this thesis was to study the mixing process in a bioreactor and to analyse the interactions between mixing and biological reactions. The mixing study was performed using Computational Fluid Dynamics. Two kinds of simulation were used : a Reynolds-Averaged Navier-Stokes simulation and a Large Eddy Simulation. The first step was to assess the numerical hydrodynamics of the two simulations from results obtained by Particule Image Velocimetry experiments in the impeller discharge of the stirred tank used. These first results have shown that the Large Eddy Simulation solve with an excellent accuracy the hydrodynamics, so the LES was used to caracterize mixing in the tank. The mixing of an inert scalar was followed to study the influence of the injection location on the mixing process. At the same time, a Lagrangian particle tracking was performed to study the variation of their microenvironment that can be observed by microorganismsTOULOUSE-INSA (315552106) / SudocSudocFranceF

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