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Analyse et modélisation de l’interaction réaction-mélange sur l’extrapolation des fermenteurs aérobies et anaérobies by Amaury Danican

Résumé

Le développement des énergies renouvelables est, à l’heure actuelle, un enjeu majeur pour faire face à une demande toujours croissante en énergie. Sa finalité est la réduction de l’utilisation des sources d’énergies fossiles, qui provoque la pollution de l’air, de l’eau et des sols. Parmi les nombreuses options disponibles, ce travail de thèse se concentre sur la production de biohydrogène de 2e génération par le procédé de fermentation sombre. Son principe réside dans la décomposition de déchets organiques (aussi appelés « biomasse ») par des bactéries anaérobies afin de produire du biogaz et des acides gras volatils. Ce procédé permet de valoriser les déchets organiques pour la production d’une source d’énergie renouvelable. Plusieurs études ont été menées sur ce procédé, notamment sur la recherche des paramètres biotiques et abiotiques optimaux (pH, température, composition du consortium microbien, etc.). Cependant, les conditions de mélange au sein du réacteur restent, à ce jour, très peu étudiées, notamment les conditions d’agitation et la viscosité du digestat. Ces paramètres sont indispensables à l’obtention d’un procédé au rendement optimal et économiquement viable. Cette thèse poursuit les travaux de Benoît Chezeau (2019), centrés sur les influences couplées de la viscosité de fluides newtoniens et de la vitesse d’agitation sur la production de biohydrogène, en abordant de manière détaillée l’impact de la structure de l’écoulement et notamment de la turbulence sur le rendement en biogaz du procédé grâce à un modèle de simulation numérique de l’hydrodynamique (CFD) validé par la méthode expérimentale de Vélocimétrie par Images de Particules (PIV). Cette étude a également été menée avec des fluides non-newtoniens, plus représentatifs des substrats organiques réels du procédé. Les différents transferts de matière en fonction des conditions de mélange ont été étudiés : d’abord, l’homogénéisation du fluide, grâce aux méthodes de décoloration chimique et de Fluorescence Induite par Nappe Laser (PLIF) permettant la mesure du temps de mélange ; ensuite, le transfert de matière gaz-liquide grâce à la méthode de désoxygénation/oxygénation permettant la mesure du coefficient volumétrique kLa. Une comparaison a été faite entre les résultats obtenus en milieu newtonien au cours de travaux antérieurs, et les résultats non-newtoniens de cette étude. Le modèle numérique a permis d’établir un lien entre la structure de l’écoulement et les modes de transfert de matière, ce qui permet d’ouvrir des pistes d’amélioration du procédé, notamment pour le choix des conditions d’agitation et de la configuration du réacteur. Enfin, durant ces travaux une méthode de trajectographie optique a été mise en place. Cela consiste en un suivi, sur une longue période, d’une ou plusieurs particules grâce à un système à trois caméras optiques. Le but est d’obtenir une description tridimensionnelle lagrangienne de l’écoulement de manière expérimentale. Il s’agit d’une méthode prometteuse pour l’étude de l’écoulement au sein du réacteur. Les données obtenues par les méthodes citées précédemment ont permis de caractériser l’impact des conditions de mélange sur le développement bactérien et sur les différents modes de transferts au sein d’un milieu non-newtonien. Celui-ci est joue une rôle essentiel et doit donc être pris en compte lors du choix de la configuration du réacteur et de l’agitateur en fonction des propriétés du digestat. Le modèle numérique se révèle être un outil particulièrement utile et efficace pour les futurs choix de fonctionnement du procédé.

Source: http://www.theses.fr/2021UCFAC117

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