6 research outputs found
A two-dimensional population balance model for cell growth including multiple uptake systems
Cell growth in a chemostat is a well-documented research topic. How cells uptake the avail-able substrate to gain weight and engage cell division is not generally taken into account inthe modelling bioreactors. In fact, the growth rate is related to a population doubling timewhereas the microorganisms’ growth in mass is due to the mass transfer of substrates fromthe liquid phase to the biotic phase. Clearly, growth in mass precedes growth in number.Similarly, the transport of substrates down to the cell scale precedes the mass transfer. Thisarticle’s main feature is a two-dimensional population balance model that allows to uncou-ple growth in mass and growth in number when the equilibrium between a cell populationand its environment is disrupted. The cell length and the rate of anabolism are chosen asinternal variables. It is proved that the hypothesis “growth in number = growth in mass” isvalid at steady-state or in exponential growth only. The glucose uptake is assumed drivenby two transport systems with a different affinity constant for the substrate. This combina-tion of two regulated uptake systems operating in parallel explains a 3-fold increase in theuptake following a glucose pulse, but can also predict substrate uptake rates higher thanthe maximal batch value as observed in some experiments. These features are obtainedby considering carbon fluxes in the formulation of regulation principles for uptake dynam-ics. The population balance’s implementation in a multi-compartment reactor is a naturalprospective work and allows extensions to industrial processes
Exploration of microbial activities that cause oxygen microenvironments within oxygenic photogranules for wastewater treatment
Les photogranules (OPGs) sont des agrégats compacts d'un diamètre pouvant atteindre 5 mm, composés d'un consortium complexe de micro-organismes phototrophes et non phototrophes, pilotés par la lumière et intégrés dans une matrice de substances polymères extracellulaires. Ils ont récemment fait l'objet d'un intérêt croissant pour le traitement des eaux usées et peuvent être considérée comme alternative prometteuse au procédé classique des boues activées. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet ANR PSST (Photogranules Shake Sewage Treatment up), qui vise à comprendre les mécanismes de formation des photogranules (OPGs) et à évaluer leur potentiel pour le traitement des eaux usées. L'activité biologique des OPGs est déterminée par plusieurs paramètres, comme la composition microbienne, la morphologie des granules et les facteurs abiotiques (c'est-à -dire la lumière, le carbone organique disponible dans le milieu environnant). Des expériences (microscopie, microélectrodes et optodes planaires) ainsi que des modélisations mathématiques (modèles de réaction-diffusion 1D et 2D) ont été combinées au cours de ces travaux. L'objectif de cette thèse de doctorat était d'élucider le rôle de la morphologie des OPGs et des facteurs abiotiques dans le façonnage des concentrations d'oxygène à l'échelle microscopique.Une première expérience a été réalisée avec des OPGs filamenteux afin de comprendre comment cette architecture influence la distribution des concentrations d'oxygène dans l'espace et le temps. Des mesures d'optodes planaires ont été couplées à un modèle de réaction-diffusion 2D pour déconvoluer les activités biologiques et le transfert de masse de l'oxygène. Ensuite, une deuxième expérience a été menée sur des OPGs à peu près sphériques pour évaluer les effets des changements à court terme de l'irradiation sur les niveaux de production d'oxygène en utilisant des mesures de microélectrodes d'oxygène et un modèle de réaction-diffusion 1D, en fonction de la zone photosynthétique active et de la structure des OPGs. Ensuite, une expérience plus importante a été menée pour évaluer les effets combinés des facteurs abiotiques (oxygène dissous, carbone organique dissous et intensité lumineuse) sur les concentrations d'oxygène à l'intérieur des générateurs de particules à l'échelle microscopique.Ce travail de thèse ouvre de nouvelles perspectives sur les relations écologiques à l'origine des microenvironnements dans les OPGs. Il fournit quelques lignes directrices pour sélectionner une combinaison de taille/forme optimale des OPGs et de conditions abiotiques appropriées dans le but d'une application à plus grande échelle du processus de traitement des eaux usées basé sur les OPGs.Les photogranules (OPGs) sont des agrégats compacts d'un diamètre pouvant atteindre 5 mm, composés d'un consortium complexe de micro-organismes phototrophes et non phototrophes intégrés dans une matrice de substances polymèriques extracellulaires. Ils apparaissent particulièrement intéressants pour le traitement des eaux usées et constituent une alternative prometteuse au procédé classique par boues activées. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet ANR PSST (Photogranules Shake Sewage Treatment up), qui vise à comprendre les mécanismes de formation des photogranules (OPGs) et à évaluer leur potentiel pour le traitement des eaux usées. L'activité biologique des OPGs est déterminée par plusieurs paramètres, comme la composition microbienne, la morphologie des granules et les facteurs abiotiques (tels que la lumière ou le carbone organique disponible dans le milieu environnant). Des expériences utilisant des approches de microscopie, microélectrodes et optodes planaires, ainsi que des modélisations mathématiques (modèles de réaction-diffusion 1D et 2D) ont été combinées dans cette thèse avec pour objectif d'élucider le rôle de la morphologie des OPGs et des facteurs abiotiques dans l'établissement des gradients d'oxygène à l'échelle microscopique.Une première expérience a été réalisée avec des OPGs filamenteux afin de comprendre comment cette architecture particulière influence la distribution des concentrations d'oxygène dans l'espace et le temps. Des mesures d'optodes planaires ont été couplées à un modèle de réaction-diffusion 2D pour déconvoluer les activités biologiques et la diffusion de l'oxygène. Ensuite, une deuxième expérience a été menée sur des OPGs à peu près sphériques pour évaluer les effets des changements à court terme de l'illumination sur les niveaux de production d'oxygène en utilisant des mesures de microélectrodes et un modèle de réaction-diffusion 1D permettant d'évaluer les activités des microorganismes phototrophes et hétérotrophes. Enfin, une expérience de plus ampleur a été menée pour évaluer les effets combinés des facteurs abiotiques (oxygène dissous, carbone organique dissous et intensité lumineuse) sur les concentrations d'oxygène à l'intérieur des OPGs.Ce travail de thèse ouvre de nouvelles perspectives sur les relations écologiques à l'origine des microenvironnements oxiques dans les OPGs. Il a, par ailleurs, permis d'identifier des combinaisons de tailles/formes optimales de photogranules et de conditions abiotiques pour l'application des procédés à OPG au traitement des eaux usées
Exploration des activités microbiennes à l'origine du microenvironnement oxique dans les photogranules destinés au traitement des eaux usées
Les photogranules (OPGs) sont des agrégats compacts d'un diamètre pouvant atteindre 5 mm, composés d'un consortium complexe de micro-organismes phototrophes et non phototrophes intégrés dans une matrice de substances polymèriques extracellulaires. Ils apparaissent particulièrement intéressants pour le traitement des eaux usées et constituent une alternative prometteuse au procédé classique par boues activées. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet ANR PSST (Photogranules Shake Sewage Treatment up), qui vise à comprendre les mécanismes de formation des photogranules (OPGs) et à évaluer leur potentiel pour le traitement des eaux usées. L'activité biologique des OPGs est déterminée par plusieurs paramètres, comme la composition microbienne, la morphologie des granules et les facteurs abiotiques (tels que la lumière ou le carbone organique disponible dans le milieu environnant). Des expériences utilisant des approches de microscopie, microélectrodes et optodes planaires, ainsi que des modélisations mathématiques (modèles de réaction-diffusion 1D et 2D) ont été combinées dans cette thèse avec pour objectif d'élucider le rôle de la morphologie des OPGs et des facteurs abiotiques dans l'établissement des gradients d'oxygène à l'échelle microscopique.Une première expérience a été réalisée avec des OPGs filamenteux afin de comprendre comment cette architecture particulière influence la distribution des concentrations d'oxygène dans l'espace et le temps. Des mesures d'optodes planaires ont été couplées à un modèle de réaction-diffusion 2D pour déconvoluer les activités biologiques et la diffusion de l'oxygène. Ensuite, une deuxième expérience a été menée sur des OPGs à peu près sphériques pour évaluer les effets des changements à court terme de l'illumination sur les niveaux de production d'oxygène en utilisant des mesures de microélectrodes et un modèle de réaction-diffusion 1D permettant d'évaluer les activités des microorganismes phototrophes et hétérotrophes. Enfin, une expérience de plus ampleur a été menée pour évaluer les effets combinés des facteurs abiotiques (oxygène dissous, carbone organique dissous et intensité lumineuse) sur les concentrations d'oxygène à l'intérieur des OPGs.Ce travail de thèse ouvre de nouvelles perspectives sur les relations écologiques à l'origine des microenvironnements oxiques dans les OPGs. Il a, par ailleurs, permis d'identifier des combinaisons de tailles/formes optimales de photogranules et de conditions abiotiques pour l'application des procédés à OPG au traitement des eaux usées.Les photogranules (OPGs) sont des agrégats compacts d'un diamètre pouvant atteindre 5 mm, composés d'un consortium complexe de micro-organismes phototrophes et non phototrophes, pilotés par la lumière et intégrés dans une matrice de substances polymères extracellulaires. Ils ont récemment fait l'objet d'un intérêt croissant pour le traitement des eaux usées et peuvent être considérée comme alternative prometteuse au procédé classique des boues activées. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet ANR PSST (Photogranules Shake Sewage Treatment up), qui vise à comprendre les mécanismes de formation des photogranules (OPGs) et à évaluer leur potentiel pour le traitement des eaux usées. L'activité biologique des OPGs est déterminée par plusieurs paramètres, comme la composition microbienne, la morphologie des granules et les facteurs abiotiques (c'est-à -dire la lumière, le carbone organique disponible dans le milieu environnant). Des expériences (microscopie, microélectrodes et optodes planaires) ainsi que des modélisations mathématiques (modèles de réaction-diffusion 1D et 2D) ont été combinées au cours de ces travaux. L'objectif de cette thèse de doctorat était d'élucider le rôle de la morphologie des OPGs et des facteurs abiotiques dans le façonnage des concentrations d'oxygène à l'échelle microscopique.Une première expérience a été réalisée avec des OPGs filamenteux afin de comprendre comment cette architecture influence la distribution des concentrations d'oxygène dans l'espace et le temps. Des mesures d'optodes planaires ont été couplées à un modèle de réaction-diffusion 2D pour déconvoluer les activités biologiques et le transfert de masse de l'oxygène. Ensuite, une deuxième expérience a été menée sur des OPGs à peu près sphériques pour évaluer les effets des changements à court terme de l'irradiation sur les niveaux de production d'oxygène en utilisant des mesures de microélectrodes d'oxygène et un modèle de réaction-diffusion 1D, en fonction de la zone photosynthétique active et de la structure des OPGs. Ensuite, une expérience plus importante a été menée pour évaluer les effets combinés des facteurs abiotiques (oxygène dissous, carbone organique dissous et intensité lumineuse) sur les concentrations d'oxygène à l'intérieur des générateurs de particules à l'échelle microscopique.Ce travail de thèse ouvre de nouvelles perspectives sur les relations écologiques à l'origine des microenvironnements dans les OPGs. Il fournit quelques lignes directrices pour sélectionner une combinaison de taille/forme optimale des OPGs et de conditions abiotiques appropriées dans le but d'une application à plus grande échelle du processus de traitement des eaux usées basé sur les OPGs
Mapping the biological activity of a fluffy oxygenic photogranule
International audienceOxygenic photogranules (OPGs) are dense granular biofilm recently applied for wastewater treatment at the lab scale. An OPGs based process offers several advantages over conventional activated sludge such as lower energy input and easy recovery of biomass from treated water, however one of the main challenges for its development is to ensure its long-term stability. It is thus crucial to understand oxygen and carbon dioxide exchanges between phototrophic cyanobacteria and heterotrophic bacteria. Their particular filamentous morphology however requires the development of dedicated strategies to map chemical gradients and biological activities. In this work we investigate the spatial distribution of oxic/anoxic zones of OPG at the micro-scale using a planar optode (VisiSens Imaging). A 2D reaction diffusion model was developed to reconstruct biological activities through the granule. Results highlighted the importance of the filamentous morphology for an optimized biological activity