[PDF] Modélisation et conception dun système de culture de microalgues

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N°: 2009 ENAM XXXX

ParisTech

Centre Efficacité Energétique des Systèmes

5 rue Léon Blum ± 91120 Palaiseau

T H E S E présentée et soutenue publiquement par le 11 avril 2014

6SpFLDOLWp³´

Directeur de thèse :

Professeur, Université de Perpignan Président , HDR, EBI Rapporteur , Professeur émérite, LEMTA Rapporteur , Directeur de recherche IFREMER Examinateur , Professeur, MINES ParisTech Examinateur , HDR, MINES ParisTech Examinateur

A Eléna,

Remerciements

eus avec chacun nos visions, moi plus tournée vers la biologie et toi vers la vision système. Merci pour tes nombreuses, minutieuses et précieuses relectures. Merci pour toutes ces

questions et toutes les discussions que nous avons eues pour faire avancer ce travail de

recherche. Je souhaite remercier M. Rafik ABSI et M. Michel F les rapporteurs de cette thèse. Tous mes remerciements à M. Jean-Paul CADORET, à M. Alain GAUNAND, et à M. Pierre NEVEU accepté de juger ce travail.

Je tiens à exprimer ma reconnaissance à la société ESETA et plus particulièrement à

e projet de thèse et qui nous a malheureusement quitté trop tôt. Merci à M. Lionel GUILLEMINOT pour son enthousiasme permis de finir cette thèse. Un énorme merci à M. Franck FAYOLLE pour son soutien technique et pour avoir toujours réussi à trouver des solutions aux nombreux problèmes techniques expérimentaux rencontrés. Merci pour ta disponibilité et ta bonne humeur. Merci aussi à M. Erwan PRIMA, et M. Olivier CALMELS pour leur aide sur le , toujours dans la bonne humeur. Un grand merci à personnel du CES, merci pour la bonne humeur

quotidienne, les restos du soir et les soirées. Un merci plus particulier à Carol, pour toutes nos

discussions, à Afif, Jérémie, Karim, Fabien et Florent pour le squat de vos ordinateurs

pendant les dernières semaines. Merci Zoheir pour ta disponibilité et pour les réponses à mes

nombreuses questions concernant la thermique ! Merci à tous les copains de tatamis, pour votre soutien sans faille et de permettre de me changer les idées avec une pratique intensive. Merci à mes parents et mon frère, pour être toujours là, disponible tout le temps. Mille mercis seraient trop peu. Merci aussi pour les baby-sittings, bien que je sache que pour vous ce n ! Un immense merci à Volodia pour sa présence, son soutien, sa patience, sa capacité à me supporter, à me changer les idées et à me faire rire.

Aurélie

iii

Nomenclature

= - Aire interfaciale m2.m-3 # - Surface m2 - Taux spécifique pour la croissance h-1 =5 Paramètres selon les propriétés physiques du fluide et de la >5 Paramètres selon les propriétés physiques du fluide et de la géométrie du photobioréacteur - =6 et >6 Paramètres expérimentaux - > Fraction rétrodiffusée du rayonnement - $ Taux spécifique pour la désactivation h-1 %5 à %55 Constantes K-1 ou mol.L-1 ou - % - Concentration mol.m-3 ou

µmol.109cell-1.s-1

ou mol.L-1 ou kg.m-3 ou mg.109cell-1 ou g.L-1 ou 109cell.m-3 - Section de la microalgue m2 %L Capacité calorifique J.kg-1.K-1 %å Paramètre de distribution - & - Taux de dilution h-1 - Diffusivité aqueuse m.s-1 - Diamètre m &EF m2.s-1 &í Coefficient de dispersion axiale m2.s-1 protéines kJ.mol-1

¿2 Perte de pression Pa

¿V Discrétisation de la colonne ascendante m

A Epaisseur m

' Energie lumineuse disponible par cellule µmol.109cell-1.s-1 'Ô m2.kg-1 'Õ kJ.mol-1 'ae Coefficient de diffusion m2.kg-1 (A:.A; Fonction de Lewis -

C Accélération gravitationnelle m.s-2

)5, )6 Termes adimensionnels - ) Intensité lumineuse locale µmol.m-2.s-1

D - Coefficient de convection W.m-2.K-1

- Coefficient de transfert thermique W.m-2.s-1 - Coefficient de transfert de masse m.s-1 - Enthalpie massique J.kg-1 - Hauteur du liquide m *4 Humidité relative - + Intensité lumineuse µmol.m-2.s-1 ou

µmol.109cell-1.s-1

iv , - Intensité lumineuse spécifique moyenne W.m-2 - Flux de diffusion kg.s-1.m-2

G Coefficient de transfert de masse m.s-1

Gß= Coefficient volumique global du transfert de masse s-1

Gá Nombre de doublement par jour j-1

- Constante de demi-saturation

µmol.109cell-1.s-1

ou W.m-2 ou kg.m-3 ou mg.109cell-1 ou

µmol.m-2.s-1 ou

mol.m-3 kg.m-3 ou mg.109cell-1 ou

µmol.m-2.s-1

- Coefficient global de transfert de masse m.s-1 - Coefficient des pertes de charges singulières - -Ê Quota de subsistance pour lequel µ=0 g.cell-1 . Profondeur de culture m

Grandeur caractéristique m

.R J.kg-1

L Productivité interne de chaleur W.m-3

L:àáàñ; Fonction de phase -

LQEOO=J?A Puissance nécessaire pour atteindre la température cible W

2 Pression Pa

2À

8ß W.m-3

2Ñ Productivité de la biomasse

kg.m-3.h-1 ou g.L-1.h-1 ou g.L-1.j-1 M Rayonnement ou intensité lumineuse µmol.m-2.s-1

3 - Quota cellulaire g.cell-1

- Flux de chaleur W - Débit m-3.s-1 ou m-3.h-1 NÑ Vitesse volumétrique moyenne de synthèse de biomasse kg.m-3.h-1

4 Constante des gaz parfaits J.mol-1.K-1

Rayon m

Taux de production ou de consommation mol.m-3.s-1

4R J.kg-1.K-1

Surface de la section m2

Pa Temps de culture j

6 Température K

66 Temps de doublement de la population j

7 Vitesse superficielle m.s-1

R Vitesse linéaire m.s-1

8 Volume m3

876 Volume de Sauter m3

S Humidité absolue kg/kgas

TØ -

; Rendement de conversion mol.kg-1 VÖ compensation m v es grecques

Ù - Module de diffusion linéaire -

- Absorptivité - Ù5 Paramètre dépendant des propriétés physiques du liquide et de la

Û Fraction illuminée de travail -

Vitesse volumétrique moyenne de biomasse kg.m-3.h-1

Ü m-1

Ý - Rétention -

- Emissivité corrigée -

ó Erreur relative -

Þ Paramètre adimensionnel -

âÔ -Lambert m2.kg-1

ã - Coefficient des pertes de charges linéaires - - Conductivité thermique W.m-1.K-1 - nm - Taux de croissance j-1 ou h-1 ou s-1

é - Densité kg.m-3

- Coefficient de réflexion - éà Rendement énergétique maximum pour la conversion des photons

ê - kg.s-2

- Constante de Stefan-Boltzmann W.m-2.K-4

ì Coefficient de transmissivité -

î, îØ Ratio normalisé, Ratio de maintenance normalisé -

Indice

r Au temps t=0 ; A température = 273 K ; Température de référence ; incident = Air => Absorbé =?? Accessoire =HC Milieu contenant les algues =PI Atmosphérique =O Air sec #$5 > Bulle ? Compensation ?=H? Calculé ?AHH Disponible par cellule ?EN? Circulation ?H Carbone Inorganique Total disponible par cellule ?KJR Convectif %+6 Carbone Inorganique Total %16 Dioxyde de carbone %5# Phénomène de diffusion vi @ Section de la colonne descendante : " le downcomer » @I Matière sèche microalgale @R Double-vitrage

A Convection naturelle

±? Eclairé

±R Evaporé

ATL Expérimental

ATP Extérieur

f Fin de culture

C Phase gazeuse

D Hydraulique ; Hydrostatique

*> Protons

E Phase

EB rface

EJ En entrée

EJF Avec injection de gaz

EJP Intérieur

+ Inhibition

F Section du photobioréacteur

H Phase liquide

HI Lame de gaz

I Débit massique

I=OO masse

I=T Maximal ; Quand J

LJàÔë

IAO Mesuré

IKU Moyen

0 Azote

K orifice

KLP Optimal ; Dans les conditions optimales

KQP En sortie

16 Oxygène

L Section de la plaque

L=N A la paroi

2 Phosphore

2% Phycocyanine ; Polycarbonate

2+ Photoinhibition

N Section de la colonne ascendante : " le riser »

N=@ Radiatif

N± Réfléchi

O Phase solide

O=P A saturation

OL Spécifique

5 Lumineuse ; Saturation

5K Soufre

P Au temps t ; Terminal ; Transmis

therm Thermique

R ; Verre

X Biomasse

vii

Û ; Modifié

I Discrétisation de la colonne ascendante

J Exposant du modèle de Moser ; Exposant dépendant de )N Nombre de Grashoff -

0Q Nombre de Nusselt -

2A Nombre de Peclet -

2N Nombre de Prandtl -

4= Nombre de Rayleigh -

4A Nombre de Reynolds -

5? Nombre de Schmidt -

5D Nombre de Sherwood -

ACV Analyse de Cycle de Vie

AP Activité Photosynthétique

ATP AdénosineTriPhosphate

Chl Chlorophylle

CIT Carbone Inorganique Total

ETR Equation du Transfert Radiatif

NADPH Nicotinamide Adénine Dinucléotide Phosphate

PAR Photosynthetically Active Radiation

PBR Photobioréacteur

PC Plastocyanine ; Polycarbonate

Pi Phosphore inorganique

PMMA PolyMethyl MethAcrylate

PQ Plastoquinone

PS Photosystème

Q Quinone

ix

Sommaire

REMERCIEMENTS ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ I

NOMENCLATURE ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- III

SOMMAIRE -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- IX

LISTE DES FIGURES --------------------------------------------------------------------------------------------------------- XI

LISTE DES TABLEAUX ---------------------------------------------------------------------------------------------------- XIV

INTRODUCTION GENERALE ----------------------------------------------------------------------------------------------- 1

CHAPITRE I. MICROALGUES : BIOLOGIE ET MOYENS DE CULTURE - SYSTEME EXPERIMENTAL --- 3

1. BIOLOGIE DES MICROALGUES -------------------------------------------------------------------------------- 7

1.1. Biologie --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 7

1.2. Photosynthèse ------------------------------------------------------------------------------------------------- 8

1.3. Besoins des microalgues - Facteurs influents sur la croissance des microalgues ---------- 16

1.4. Conclusion --------------------------------------------------------------------------------------------------- 19

2. SYSTEME DE CULTURES DES MICROALGUES --------------------------------------------------------------- 20

2.1. Systèmes ouverts ------------------------------------------------------------------------------------------- 20

2.2. Systèmes fermés -------------------------------------------------------------------------------------------- 21

2.3. Comparaisons des systèmes de production ---------------------------------------------------------- 25

3. PRINCIPE, CONCEPT ET PILOTE EXPERIMENTAL ----------------------------------------------------------- 28

3.1. Photobioréacteur expérimental ------------------------------------------------------------------------ 29

3.2. Matériel ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 30

4. CONCLUSION DU CHAPITRE -------------------------------------------------------------------------------- 33

CHAPITRE II. CARACTERISATION ET MODELISATION DU PHOTOBIOREACTEUR Ȃ HYDRODYNAMIQUE, TRANSFERTS DE MASSE ET TRANSFERTS DE CHALEUR ---------------------------- 35

1. MODELISATION HYDRODYNAMIQUE ----------------------------------------------------------------------- 37

1.1. Modélisation mathématique ---------------------------------------------------------------------------- 39

1.2. Caractérisation expérimentale du photobioréacteur et paramétrage du modèle

hydrodynamique -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 46

1.3. Validation du modèle : Comparaison des résultats de la modélisation et des données

expérimentales ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 50

1.4. Conclusion --------------------------------------------------------------------------------------------------- 55

2. MODELISATION DES TRANSFERTS DE MASSE -------------------------------------------------------------- 56

2.1. Modélisation du transfert de masse dans le photobioréacteur en système air/eau ------- 56

2.2. Conclusion --------------------------------------------------------------------------------------------------- 67

3. MODELISATION THERMIQUE ------------------------------------------------------------------------------ 68

3.1. Généralités --------------------------------------------------------------------------------------------------- 68

3.2. Modélisation des échanges thermiques --------------------------------------------------------------- 69

3.3. Validation expérimentale du modèle ------------------------------------------------------------------ 76

3.4. Conclusion --------------------------------------------------------------------------------------------------- 81

4. CONCLUSION DU CHAPITRE -------------------------------------------------------------------------------- 82

CHAPITRE III. MODELISATION DU SYSTEME DE CULTURE ET VALIDATION EXPERIMENTALE - 83

1. MODELISATION DU PHOTOBIOREACTEUR EN CULTURE DǯALGUES ---------------------------------------- 85

1.1. Modèle de croissance -------------------------------------------------------------------------------------- 85

1.2. Modélisation de la distribution de la lumière dans le photobioréacteur --------------------- 93

1.3. Modélisation de la croissance couplée aux limitations dues à la lumière -------------------- 97

x

1.5. Introduction de la limitation par le carbone ------------------------------------------------------ 118

1.6. Conclusion ------------------------------------------------------------------------------------------------- 121

2. VALIDATION EXPERIMENTALE DU MODELE GLOBAL -----------------------------------------------------122

2.1. Microalgue de culture et protocole expérimental ------------------------------------------------ 122

2.2. Résultats expérimentaux et paramétrage du modèle global ---------------------------------- 122

2.3. Validation du modèle global -------------------------------------------------------------------------- 129

2.4. Conclusion ------------------------------------------------------------------------------------------------- 133

3. CONCLUSION DU CHAPITRE -------------------------------------------------------------------------------134

CHAPITRE IV. 4D ǯB4

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