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

Abstract

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