Hydrodynamique et transfert de matiere de l'ecoulement annulaire tourbillonnaire produit par une entree tangentielle du fluide

SIGLEAvailable from INIST (FR), Document Supply Service, under shelf-number : T 79247 / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueFRFranc

Mise en oeuvre d'un module d'ultrafiltration à écoulement tourbillonnaire non entretenu (application à la séparation de suspensions modèles de bentonite et de plusieurs cultures de microorganismes marins)

Ce travail est consacré à l'application d'un écoulement tourbillonnaire non entretenu pour la conception d'un module d'ultrafiltration. Ce type d'hydrodynamique est obtenu dans un module annulaire muni d'une entrée tangentielle unique à sa base. Dans un premier temps, une étude comparative a été réalisée entre ce module à écoulement tourbillonnaire et deux autres modules générant des écoulements tangentiels classiques, plan et axial annulaire, lors de l'ultrafiltration de suspensions modèles de bentonite. Le module à écoulement tourbillonnaire permet d'atteindre des flux de perméation augmentés de 70% par rapport à ceux obtenus avec un module tangentiel plan classique pour un gradient pariétal de vitesse moyen à la surface de la membrane égal à 800 s-1. Cette augmentation est fortement liée au caractère tridimensionnel de l'écoulement tourbillonnaire qui induit une érosion supplémentaire du dépôt de particules formé à la surface de la membrane. De plus, la consommation énergétique est diminuée de 10 à 30% par rapport à un procédé comportant une cellule plane dans les mêmes conditions.The present work is devoted to the study of a swirling decaying flow generated by a unique tangential inlet at the bottom of an annular ultrafiltration unit. In a first time, a comparative study has been realized between this swirling module and two other units generating classical tangential flows, plane and axial annular, during the ultrafiltration of model suspensions of bentonite.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF

Récolte de la cyanobactérie Arthrospira platensis par techniques à membranes, interactions Procédé/Biomasse

Le travail présenté concerne la récolte de la cyanobactérie Arthrospira platensis par des techniques à membranes dans le compartiment IVa de la boucle biorégénérative MELiSSA, développée par l'ESA en vue de vols spatiaux habités de longue durée. Une attention particulière est portée aux interactions Procédé/Biomasse, ainsi qu'aux contraintes spécifiques liées à la récolte en environnement spatial. Une première campagne expérimentale de sélection a orienté le choix vers une membrane inorganique tubulaire d'UF (ATZ 50 kD). Paramètres opératoires, modes de filtration et de nettoyage ont été investigués aux échelles " laboratoire " puis " pilote " pour les deux options envisageables. Dans le cas " basse concentration ", le circuit d'ultrafiltration permet de concentrer une biomasse diluée de 50 à 1000 mg/ afin de la recycler en photobioréacteur (PBR). La deuxième option consiste à concentrer directement la suspension en sortie du PBR. L'étude a montré la pertinence de l'UF pour la récolte cellulaire dans de bonnes conditions (taux de récupération et qualité du concentrat) jusqu'à un facteur de réduction volumique 20. Le mécanisme de colmatage est lié aux conditions d'écoulement, mais aussi aux caractéristiques et à l'activité de la suspension elle même. Si la lyse des cellules est préjudiciable aux performances, les exopolysacclharides excrétés par A. platensis jouent un rôle déterminant dans le colmatage qui n'est pas uniquement particulaire. Le taux d'EPS peut être minimisé d'une part en contrôlant les conditions de culture et d'autre part en réduisant le stress mécanique, fonction des paramètres d'UF et des caractéristiques des éléments constitutifs du circuit.The present work is devoted to the harvesting of a cyanobacterium Arthrospira platensis by membranes techniques in compartment IVa of the bioregenerative loop MELiSSA set up by ESA for long time spatial missions. We focus on Process/Biomass interactions, and on specific spatial constraints. First a comparative study has been realized and consequently an ultrafiltration inorganic tubular membrane has been chosen (ATZ 50 kD). Operating parameters, cleaning process and filtration modes have been investigated both at laboratory and pilot scales in order to perform the two following options : Low concentration , where un-harvested cells are recycled in the photobioreactor (from 50 to 1000 mg/l); and High concentration , for which biomass is concentrated at the photobioreactor outlet. The study has underlined the validity of UF as a way of harvesting (biomass recovery and integrity). The fouling phenomenon is linked both to hydrodynamics and biomass, especially exopolysaccharides excretion and is not only a particular contribution. EPS rate could be minimized by culture conditions and by the mechanical shear stress reduction degradation, a function of UF parameters and characteristics of constitutive set-up elements.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocNANTES-Ecole Centrale (441092306) / SudocSudocFranceF

Etude des mécanismes de consolidation et d'abrasion du dépôt à l'interface membrane/suspension dans le cas d'une filtration tangentielle de milieux complexes

Le travail porte sur l étude des performances hydrauliques, énergétiques et de rétention d unités d ultrafiltration d eau de mer reconstituée à partir de sel gris. Les unités de laboratoire (surface membranaire égale à 0,38 m ) étaient équipées de membranes fibres creuses en polysulfone de seuil de coupure égal à 100 kDa. Au cours de cette étude, l influence de (i) divers paramètres opératoires (la PTM, les fréquences des rétrolavages, la durée des rétrolavges, les modes d aération (continu ou intermittent), les débits d aération), (ii) caractéristiques morphologiques et physico-chimiques des microparticules ajoutées ou non à la charge initiale, sur le colmatage des membranes et les performances globales ont été étudiées lors des ultrafiltrations frontales et tangentielles. Il a été montré que lors de l ultrafiltration frontale d eau de mer (sans ajout de particules), l augmentation de la PTM induit une augmentation de la consommation énergétique, contrairement à l ultrafiltration tangentielle où la consommation énergétique atteint la valeur minimale à la PTM de 0,4 bar. L ultrafiltration frontale engendre une consommation énergétique spécifique plus faible que l ultrafiltration tangentielle. Le colmatage membranaire est plus important dans le cas d ultrafiltration frontale sans rétrolavage ni bullage comparativement à l ultrafiltration avec rétrolavage (quelles que soient les durées et fréquences). Cependant, la consommation énergétique spécifique est la plus faible dans ce cas (16Wh.m-3). L ultrafiltration frontale et tangentielle avec ou sans ajout de bentonite ou kieselguhr dans l eau de mer a montré que deux phénomènes pouvaient agir sur les performances hydrauliques et la rétention de matière organique : l abrasion de la surface de la membrane et l adsorption de la matière organique. Le taux de rétention du carbone organique total est d environ 80% quel que soit: le mode d ultrafiltration (frontal ou tangentiel), la concentration de particules ajoutée et la vitesse de recirculation dans le cas d une filtration tangentielle. Le taux de rétention du carbone organique dissous (COD) est plus élevé en filtration tangentielle et l ajout de bentonite ou de kieselguhr (jusqu à 1 g.L-1) entraine une diminution de la rétention du COD.The present work investigates the hydraulic, energetic and removal performance of ultrafiltration (UF) units in filtration of reconstituted seawater from non-refined sea salt. Laboratory units were equipped with 100 kDa polysulfone hollow fiber membranes (membrane surface equal to 0,38 m2) and operated in two modes, dead-end and tangential. The influence of (i) various operating parameters (TMP, backwash (BW) frequency, BW duration, filtration modes (continuous or intermittent), aeration flow rate), (ii ) morphological and physico-chemical characteristics of added or no added microparticles to the initial charge on membrane fouling and overall performance were studied. It was shown that, an increase of TMP induces an increase of energy consumption in the case of dead-end UF of seawater (no added particles) contrary to cross-flow UF for which optimum energy consumption is located around 0,4 bar. The specific energy consumption during dead-end UF was always lower than for tangential mode. In dead-end UF without backwashing nor bubbling, membrane fouling is more important than for UF with backwashing (regardless to frequencies and durations). However the lowest specific energy consumption (16 Wh.m-3) was observed in these operating conditions. Dead-end and tangential UF of seawater with or without addition of bentonite and kieselguhr showed that two phenomena could act on the hydraulic performances and organic matter removal: abrasion of the membrane surface and adsorption of organic matter. The removal rate of total organic carbon is about 80% regardless to the UF mode (dead-end or tangential), the suspended solid concentration and the recirculation velocity in the case of tangential filtration. Dissolved organic carbon (DOC) removal was better for tangential UF. Bentonite or kieselguhr addition (up to 1g.L-1) induced a decrease of DOC removal.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF

Caractérisation hydrodynamique de la structure des écoulements dans les lignes de transformation des industries agroalimentaires et conséquences sur le nettoyage de souillures bactériennes (étude exploratoire sur l'intérêt des écoulements pulsés)

Les travaux présentés dans ce manuscrit traitent de l effet de la géométrie et de l écoulement sur le décrochement de spores de B. cereus de surfaces inertes au cours d une opération de nettoyage en place. Étant donnée leur forte adhésion à la paroi des équipements et leur aptitude à résister au nettoyage, ces spores présentent un risque sanitaire majeur pour l agro-industrie. Les objectifs visés consistent à étudier l effet de la géométrie sur la répartition des forces de cisaillement pariétal et à comprendre quelles sont les répercutions de la forme de l écoulement sur la contamination bactérienne avant et après nettoyage. Pour ce faire, la caractérisation de l écoulement dans plusieurs configurations composées de différentes géométries, couramment utilisées en industrie laitière, a été effectuée par des mesures de profils de vitesses (méthode de vélocimétrie ultrasonore pulsée) et des composantes moyenne et fluctuante du cisaillement pariétal (méthode polarographique). Par la suite, les niveaux de contamination bactérienne initiale et résiduelle, avant et après nettoyage, ont été déterminés au sein des différentes géométries testées. L effet des interactions entre les accidents hydrauliques sur l écoulement a permis d expliquer les différences de niveaux de contaminations initiale et résiduelle. Les analyses effectuées aux niveaux des soudures et des raccords ont montré que l adhésion et le décrochement des spores dans ces zones sont indépendants de la contrainte de cisaillement, ils sont plutôt liés à l état de surface du support d adhésion. Les interactions entre les tourbillons de différentes échelles et les spores en suspension ou adhérées à une surface ont été discutées. Les phénomènes de décrochement et de redéposition des spores ont été reliés à la taille et à l activité des structures tourbillonnaires en proche paroi.La seconde partie de ce travail concerne l application des écoulements pulsés aux procédures de nettoyage en place. Un nouveau système de génération de pulsations a été étudié. Les mesures réalisées par la méthode polarographique ont montré une nette augmentation de la contrainte moyenne de cisaillement pariétal, alors que l analyse spectrale a mis en exergue l effet des pulsations sur l énergie fluctuante du gradient pariétal de vitesse. La comparaison avec un écoulement stationnaire a montré la contribution de chacun des paramètres caractéristiques des pulsations dans le décrochement des spores de B. cereus. Enfin, une étude cinétique a révélé une augmentation de la vitesse de décrochement des spores en présence d un écoulement pulsé qui pourrait permettre de mieux gérer la durée de l opération de nettoyage.The present work deals with both effects of the geometry and the flow field on the removal of B. cereus spores from inert surfaces during a cleaning in place (CIP) procedure. Due to their strong ability to adhere to the equipment surfaces and their high resistance to cleaning process, these spores present a major sanitary hazard in the food industry. The objectives of this work were to study the effect of the geometry arrangements on the distribution of the local wall shear stress and to understand consequences of flow pattern on the bacterial soiling before and after a cleaning procedure. Flow characterisation of different loops containing several pieces of equipment used in dairy processing lines was carried out by means of instantaneous velocity profiles (Ultrasonic Doppler Velocimetry method) and wall shear stress components (electrochemical method). Initial and residual soiling levels, before and after cleaning, were determined for each geometry and explained by the effect of various interacting geometrical elements on the flow. Cleanability analysis at welding zones and gaskets has shown that the adhesion and the removal of spores in these zones are independent of the shear stress, they are rather related to the surface properties. Interaction between eddies of different sizes and suspended or adhered spores were studied. The removal and the deposition phenomena of spores were related to the size of the eddies and their activity near the wall. The second part of this work concerned pulsed flows application in CIP procedure. A new pulsations generator was used. Electrochemical measurements showed a significant increase in mean wall shear stress, whereas spectral analysis put forward pulsations effect on fluctuation energy of shear stress. Comparison with a steady flow showed the contribution of each pulsation parameter in the removal of adhered B. cereus spores. Lastly, the study of the cleaning kinetics has shown the increase of the removal constant rate of spores using pulsed flow, which allows controlling the cleaning duration.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocNANTES-Ecole Centrale (441092306) / SudocSudocFranceF

Cleanabilty study of a Scraped Surface Heat Exchanger

International audienceScraped Surface Heat Exchangers (Contherm SSHE model 6 x 3) are widely used industrially. In this kind of heat exchanger, the inlet and the outlet are difficult to clean due to their particular geometry and the presence of seals. A specific study was conducted on the inlet bowl of a SSHE, whose design has been optimized by the manufacturer in order to minimize risk of deposition by eliminating hydrodynamic dead zones. For this purpose, measurements of wall shear stress were made by an electrochemical method, for different hydrodynamic conditions. On the other hand, cleanability measurements were also performed. The bowl geometry tested presented no dead zones. However, the available space for flow significantly reduces the Reynolds number and turbulence intensity. As a consequence, three areas of increasing contamination appeared throughout the bowl due to the low mean and fluctuating shear stress values. The use of a pulsating flow increases these fluctuations, and thereby reduces the residual contamination. (C) 2012 The Institution of Chemical Engineers

Diagnostic of flow disturbances in a cross-shaped micromixer using wall electrochemical probes

International audienceThe understanding of physical phenomena such as flow behavior is essential in order to develop appropriate micromixers for industrial or biomedical applications. In this paper, the relevance of an electro-chemical method is demonstrated for a microfluidic diagnostic in the case of high fluctuating flow, over a wide range of Reynolds numbers (300 < Re < 800) corresponding to the engulfment flow regime. An experimental analysis of the signal measured at microprobes embedded to the wall of microsystems is discussed. The power spectral density (PSD) of the wall shear rate is then obtained by discrete Fourier transform of the signal. Information about the interaction flow structures/walls can be obtained by analyzing the PSD of the wall shear rate. The electrochemical technique is applied to flow within a cross-shaped micromixer with channels having square cross-sections of 400 lm in side. The inlet and outlet channels are symmetric. The PSD of wall shear rate fluctuations reveals various flow characteristics depending on the inlet flow rate and the probe positions along the microchannel. A comparison with results previously obtained with this kind of micromixers allows concluding about the length of flow establishment in such systems

Caractérisations expérimentale et numérique de l'écoulement et du transfert de matière dans des micromélangeurs

NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocNANTES-Ecole Centrale (441092306) / SudocSudocFranceF

Seawater ultrafiltration: role of particles on organic rejections and permeate fluxes

International audienc

Hygienic design: effect of hydrodynamic on the cleanability of a food processing line

International audienceHydrodynamic effect on the numbers of adhering Bacillus cereus spores before and after cleaning in place of part of a dairy processing line was investigated using nonintrusive flow characterization (local wall shear stresses and velocity profiles measurements). Geometrical changes, like gradual asymmetric pipe contractions and pipe expansions and bends, induce nonhomogeneous distribution of the initial and the residual soiling levels. Moreover, the recirculation zone resulting from the flow detachment after the expansion, allowed to explain the high level of adhered spores downstream of this geometrical change due to the generated shear stresses. The resistance to cleaning processes in the same zones is mainly governed by the adhesion strength of spores induced by the applied flow rate it? the contamination step. Welding and gasket areas, located at different positions in the loop, constituted deposit spots for spores and remained difficult to clean despite high-shear stress forces involved. (C) 2008 American Institute of Chemical Engineers