Investigations in an external-loop airlift photobioreactor with annular light chambers and swirling flow

Photosynthetic microorganisms could serve as valuable compounds, but also for environmental applications. Their production under controlled conditions implies to design specific reactors, named photobioreactors, in which light supply is the main constraint. This paper was devoted to an original external-loop airlift photobioreactor (PBR) with annular light chambers in which a swirling motion was induced. The aim was to characterize this novel geometrical configuration in terms of gas–liquid hydrodynamics, and to test its potentiality for algal cultures. This PBR consisted of two identical columns connected by flanges defining tangential inlets, each column being made of two transparent concentric tubes (6 L in liquid volume, 50 m−1 in specific illuminated area). Firstly, the global flow characteristics (circulation and mixing times) were determined by a tracer method and modelled by an axial dispersed plug flow with complete recirculation (Péclet number). By means of a double optical probe, both local and global time-averaged parameters of the gas phase were measured, namely void fraction, bubble velocity, frequency and size. The gas–liquid mass transfer were also characterized, in tap water and in culture medium, by measuring overall volumetric mass transfer coefficients. In a second time, cultures of the microalga Chlamydomonas reinhardtii were run in batch mode. The variations of biomass concentration and pigment content with time from inoculation were successfully obtained. All these findings highlighted: (i) some significant differences in terms of gas–liquid hydrodynamics between the present PBR and the usual airlift systems, (ii) the interest of this configuration for algal cultures, even if complementary studies and technological improvements are still required for definitively validating its scale-up

OPTIMISATION DE L'HYDRODYNAMIQUE DANS DES PHOTOBIOREACTEURS A HAUTE PRODUCTIVITE VOLUMIQUE POUR EVITER LE DEVELOPPEMENT DE BIOFILM

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Mise en place d'un procédé intégré de production de microorganismes photosynthétiques sur eaux usées urbaines

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Filterability of exopolysaccharides solutions from the red microalga Porphyridium cruentum by tangential filtration on a polymeric membrane

International audienceThe red microalga Porphyridium cruentum is exploited industrially for its exopolysaccharides (EPS) and pigments production. EPS produced by P. cruentum are partially released and dissolved into the surrounding environment, they can be recovered from the culture medium after removing the cells. This paper presents a parametric study of the ultrafiltration of EPS solutions on organic membrane. The EPS solutions were produced in conditions representative of an industrial production. They were filtered at lab-scale on a flat, PES 50 kDa MWCO membrane in a complete recirculation mode of permeate and retentate. Permeate flux-transmembrane pressure (TMP) curves were established up to the limiting flux for the filtration of solutions with various values of concentration in EPS (0.10 to 1.06 kg GlcEq.m), fluid tangential velocity (0.3 to 1.2 m.s) and temperature (20 and 40 °C). The reversible and irreversible parts of fouling were evaluated for each experiment and the critical flux was determined for an intermediate EPS concentration (0.16 kg GlcEq.m). The results showed that EPS solutions had a strong fouling capacity. When filtering the lowest concentrated solution (0.10 kg GlcEq.m) with moderate fouling conditions, the overall fouling resistance was approximately half of the membrane and the share of irreversible/reversible fouling was 88 and 12%. However, the part of reversible fouling becomes predominant when approaching the limiting flux. Permeate fluxes which were obtained allow to estimate that a VRR of approximately 10 could be obtained when concentrating EPS solutions using PES membranes in flat or tubular modules but not in spiral-wound

PRIAM : Technologie de rupture pour une production contrôlée et intensifiée de microalgues. Etude de l'hydrodynamique en vue d'éviter le développement de biofilm dans de tels systèmes intensifiés

International audienceDepuis quelques années, les microorganismes photosynthétiques (microalgues et cyanobactéries) offrent un potentiel de valorisation et de développement important dans de nombreux domaines d'applications (cosmétique, pharmaceutique [1], [2], nutraceutique, complément alimentaire, énergie, captage de CO 2 , etc.). Cependant, leur production requiert un développement de technologies spécifiques fournissant les conditions nécessaires à la croissance photosynthétique. De nombreuses avancées ont été réalisées ces dernières années dans l'ingénierie de tels systèmes, permettant de proposer des solutions innovantes pour la conception de technologies de rupture adaptées à la production industrielle contrôlée et intensifiée de microalgues [3], [4]. C'est dans ce contexte que PRIAM a été développé pour atteindre des performances exceptionnelles par rapport aux systèmes existants (Tableau 1). PRIAM est un photobioréacteur plan avec illumination volumétrique interne (panneau double face lumineux Lightex®). Il a été conçu en intégrant les dernières avancées scientifiques dans l'ingénierie des photobioréacteurs, tout en répondant aux attentes spécifiques d'un développement biotechnologique des microalgues, nécessitant des unités de production modulaires (10 à 1000 L) à productivité constante et satisfaisant de fortes contraintes de contrôle et de robustesse. Le concept de la technologie PRIAM qui vise la production contrôlée de microorganismes photosynthétiques, tout en ayant une productivité élevée (4 kg/m 3 /jour de biomasse sèche) est particulièrement adapté à la production industrielle de molécules à haute valeur ajoutée. Ce développement a débouché sur la création de la start-up Algolight, qui cible les applications du domaine de la santé humaine, secteur ayant besoin de produire des microalgues de manière contrôlée et intensifiée. Dans ce type de photobioréacteur intensifié, l'un des verrous majeurs est l'hydrodynamique, qui doit être optimisé en raison du confinement et de l'augmentation de la viscosité de la culture à haute concentration cellulaire, viscosité qui peut avoir un comportement non newtonien pour certaines souches de microalgues comme c'est le cas de Porphyridium cruentum (Fig. 1); le transfert gaz-liquide doit être maitrisé pour que le dioxyde de carbone ne soit pas limitant pour la croissance des microorganismes photosynthétiques et pour qu'il n'y ait pas d'accumulation de dioxygène [6] ; ainsi que de formation de biofilm. Cette présentation a pour objectif de présenter cette technologie de rupture et d'apporter des réponses aux problématiques d'hydrodynamique en optimisant notamment l'injection de gaz sur une solution modèle se rapprochant de Porphyridium et des transferts gaz-liquide pour l'aspect biofilm en travaillant en conditions réelles

Caractérisation, modélisation de la croissance photosynthétique de Chlamydomonas reinhardtii en photobioréacteur et mise en évidence du couplage à l'hydrodynamique

Cette thèse porte sur l étude de la croissance photosynthétique de la microalgue Chlamydomonas reinhardtii en photobioréacteur. Les travaux ont porté en première étape sur la caractérisation de la réponse en lumière continue. Ensuite, l étude s est poursuivie en caractérisant les effets des cycles de lumière/obscurité générés par un panneau de diodes électroluminescentes (DEL) sur la productivité volumique en biomasse afin d étudier l effet de l hydrodynamique sur la conversion photosynthétique (light/dark cycles effect). Les expérimentations en limitation physique stricte et en photolimitation ont permis d une part de définir les paramètres gouvernant la productivité volumique maximale en PBR, à savoir: la densité de flux incidente (PFD), la surface spécifique éclairée (alight) et la fraction volumique éclairée (g). Il a été également possible d établir un modèle cinétique de la croissance de C. reinhardtii en lumière continue. Ce modèle est basé sur une approche prédictive reposant sur la Thermodynamique des Processus Irréversibles (TPI), et prenant en compte les contributions respectives de la croissance photosynthétique et de la respiration à la lumière sur la cinétique globale. La dernière partie de ce mémoire concerne les expérimentations réalisées en lumière intermittente où différents régimes d éclairement ont été testés. Des cycles longs (>40s) se sont révélés avoir un effet négatif sur la croissance. Pour des cycles plus courts ( 40s), a negative effect on the mean volumetric growth rate hase been observed. Shorter cycles (<12s) showed a non-linear coupling between cycles frequencies and the photosynthetic growth, emphasizing on interaction with dynamic response of the microorganism metabolismNANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF

Développement d'un photobioréacteur solaire intensifié en vue de la production à grande échelle de biomasse microalgale

NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF

Production d'hydrogène par Chlamydomonas reinhardtii en photobioréacteur (analyse des conditions de culture et mise en place d'un protocole autotrophe )

Hydrogen production by microalgae seems to be interesting in the context of clean hydrogen production. The unicellular green algae Chlamydomonas reinhardtii is indeed able to produce photo synthetically hydrogen gas from water.Hydrogen production, due to the presence of an enzyme [Fe]-hydrogenase, is inhibited in the presence of oxygen. The protocol of sulphur deprivation developped by Melis et al. (2000), allows to time separate the production of oxygen during the algae growth and the production of hydrogen in anaerobic conditions in the presence of light. The aim was here to better understand the role of culture conditions on H2 production process, and to develop new protocols using high control allowed in photobioreactor.The study of the growth of Chlamydomonas reinhardtii shows that anaerobic conditions occur when a dark area, characterized by the illuminated fraction appears in the reactor. This value has been estimated in mixotrophic condition (g -1) and in autotrophic conditions (g= 0.18).Thus has allowed to develop a protocol that permit to reach anoxia and hydrogen production under light conditions without mineral starvation, based on the control of radiative light transfer inside the photobioreactor.The optimization of standard sulphur deprived protocol by using modelling tool allowed to develop this protocol in autotrophic conditions. The maximal hydrogen productivity is similar (1,9 ml H2/gl) even if different initial conditions are applied. Finally, the photobioreactor was used to decouple metabolic pathways leading to hydrogen production. A methodology based on culture chemostat mode, with or without limitation mineral, allows regulating starch content and the concentration of biomass all in a reversible manner. The result shows that the protocol of sulphur deprivation is still the most effective compared to other protocols based on other mineral limitations.La production d'hydrogène par des microalgues apparaît comme intéressante dans l'optique de la production d'un vecteur énergétique sans émissions de gaz à effet de serre. En effet, la microalgue verte Chlamydomonas reinhardtii est capable de traduire cet hydrogène à partir d'eau. La production d'hydrogène, due à la présence d'une enzyme [Fe] Hydrogénase est inhibée en présence d'oxygène. Le protocole de carence en soufre a ainsi été developpé par Melis et al. (2000), la production d'oxygène lors de la croissance des algues et la production d'hydrogène en conditions anaérobiques et en présence de lumière étant séparées dans le temps. Le but de cette thèse est de mieux comprendre les différents processus menant à la production d'hydrogène afin de les optimiser voire de proposer des protocoles de production alternatifs grâce au contrôle poussé des conditions de culture permis par la culture en photobioréacteur. L'étude de la croissance de Chlamydomonas reinhardtii montre que les conditions anaérobiques interviennent lorsqu'une phase sombre, caractérisée par la fraction est présente dans le réacteur. Cette valeur a été déterminée pour les conditions mixotrophes ( g-1) et autotrophes (g=0.18). L'optimisation des conditions opératoires par modification du protocole de carence en soufre a permis d'appliquer ce protocole sur milieu autotrophe. Les résultats montrent que la productivité maximale en hydrogène est très semblable (1,9ml h2 /g.1) quelles que soient les conditions initiales appliquées.Finalement des essais de découplage de voies de production d'hydrogène ont été entrepris. Le mode de culture chemostat, avec ou sans limitation minérale, permet de réguler la teneur en amidon ainsi que la concentration en biomasse. Les résultats montrent que le protocole de carence en soufre reste à ce jour le plus efficace par rapport à un protocole basé sur une autre carence minérale (azote notamment).NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocNANTES-Ecole Centrale (441092306) / SudocSudocFranceF

Étude des voies métaboliques de production d'hydrogène chez la microalgue Chlamydomonas reinhardtii et transposition en photobioréacteur

A partir du constat que la consommation énergétique et les risques environnementaux associés se sont considérablement accrus ces dernières années, des pistes nouvelles sont aujourd'hui étudiées pour développer l'utilisation d'énergies alternatives propres et renouvelables, et l'hydrogène semble dans ce contexte être une solution sérieuse. Sa production par voie photobiologique a fait l'objet de ce travail, dont l'objectif est d'exploiter les capacités photosynthétiques des microalgues afin d'élaborer à terme un procédé de production d'hydrogène à partir d'énergie solaire et d'eau sans dégagement parallèle de gaz à effet de serre. Des expérimentations pour la compréhension des phénomènes métaboliques intervenant dans la production d'hydrogène chez l'espèce Chlamydomonas reinhardtii - ont donc été menées et les résultats obtenus ont été transposés au niveau d'un photobioréacteur torique développé spécifiquement pour cette applicationConsidering the recent increase in energy consumption and associated environmental risks, new trails are followed today to develop the use of clean and renewable alternative energies, and in this context hydrogen seems to be a serious solution. The aim of this work is then to exploit microalgae photosynthetic capacities in order to devise a process for hydrogen production from only water and solar energy without greenhouse gas release. Experiments for the comprehension of the metabolic pathways implied in hydrogen production in Chlamydomonas reinhardtii species were thus carried out and the results obtained were scaled up to the level of a torus photobioreactor specifically developed for this application.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocNANTES-Ecole Centrale (441092306) / SudocSudocFranceF

Modélisation de l'effet de l'hydrodynamique sur l'accès à la lumière (application à la croissance photosynthétique dans un réacteur de géométrie torique)

La modélisation du comportement des microorganismes en photobioréacteur nécessite la connaissance des phénomènes physiques et biologiques mis en jeu. Dans le cadre de cette étude, nous avons développé un modèle totalement prédictif basé sur la théorie des transferts radiatifs pour déterminer les profils d'irradiance dans un photobioréacteur de géométrie torique à section carrée. Ce modèle a été validé sur les microalgues Chlamydomonas reinhardtii et Dunaliella salina. Les trajectoires suivies par les cellules en circulation ont aussi été déterminées par simulation numérique. L'association à la modélisation du transfert radiatif a permis de développer un modèle original pour caractériser l'influence de l'hydrodynamique sur la modification de la lumière moyenne reçue par la cellule, basée sur la distribution des temps de séjour passés suivant la profondeur de culture. Ces résultats, couplés à un modèle de croissance, nous permettent de simuler des cultures en batch et en continu, en prenant en compte l'impact de l'hydrodynamique sur l'accès à la lumière et les performances du procédé. Cette démarche a été validée par comparaison à des résultats expérimentaux obtenus lors de cultures continues d'Arthrospira platensis dans le réacteur torique. Au final, la méthode présentée ouvre de nouvelles perspectives d'optimisation des photobioréacteurs, notamment pour la mise en adéquation des conditions d'accès à la lumière avec les besoins biologiques.To model microorganisms growth in photobioreactors, physic and biologic phenomena must be known. In this study, a predictive model for light attenuation determination in a square-sectionned torus photobioreactor was developed. This model was validated on the microalgae Chlamydomonas reinhardtii and Dunaliella salina. Cells trajectories were determined using Computational Fluid Dynamics. Combined with the light transfer model, it allows to develop an original model to characterize hydrodynamics influence on the modification of mean light received by cell. This model is based on residence time distribution along the depth of culture. Coupled with a growth model, these results enable us to simulate batch and continuous culture taking into account hydrodynamics influence on light access, and process performance. The overall model was finally validated by comparison to experimental results obtained during continuous culture of Arthrospira platensis in the torus photobioreactor. This method opens new perspectives for photobioreactors optimisation, particularly to give suitable light access conditions in agreement with biologic needs.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocNANTES-Ecole Centrale (441092306) / SudocSudocFranceF