Abstract :
[en] This thesis aims to model and scale-up the culture of encapsulated microalgae. A strain of Chlamydomonas reinhardtii is encapsulated in alginate beads by cross linking with CaCl₂. As often observed in literature, the growth rate of the encapsulated algae measured in flasks is lower than the free (suspended) culture. The studied photobioreactor is a rectangular liquid-solid fluidized bed reactor of 5 L. It enables to cultivate the strain almost 20 days without cell leakage. It allows to efficiently cultivate it as it leads to higher growth rates than in flasks (conditions are similar).
A global model to predict biomass growth in the photobioreactor is developed considering hydrodynamics, light and biological kinetics. Hydrodynamics is studied using CFD (Computational Fluid Dynamics). The liquid phase is first modeled. CFD is validated experimentally by PIV (Particle Image Velocimetry) on five vertical planes. Mean and fluctuating vertical velocities are compared. CFD correctly models the unusual flow of the reactor: laminar and unsteady. CFD and PIV are in fairly good agreement which allows to quantitatively validate the model.
The liquid-solid model is then validated using a light attenuation method which gives access to local solid distribution through the reactor depth. CFD allows to highlight a high influence of bead density (which is close to water) and of the lift force on the flow. Moreover, CFD gives access to liquid and solid velocities. This allows to quantify the influence of solid on liquid flow.
Relying on these simulations, a CFD-based compartment model is adapted to the studied reactor. This allows to describe hydrodynamics with less computation time. On the compartment model, a stochastic model is used which predicts the solid movement in the reactor thus the bead displacement in the light field. Light attenuation is modeled using Beer-Lambert law. Hence, the light intensity received by algae during the culture is known. As light is the most limiting growth parameter, it is possible to link biomass growth and “light history” of cells. Besides, light attenuation due to growth is considered. A three-states type PSF (PhotoSynthetic Factory) model is used to calculate the growth in the reactor and parameters are fitted on experimental results. The model allows to reach a final dry weight close to the experimental one. This global model predicts a high influence of hydrodynamics on biomass growth in this photobioreactor.
[fr] Cette thèse a pour objectif la modélisation et la montée en échelle de la culture de microalgues encapsulées. Une souche de Chlamydomonas reinhardtii est encapsulée dans des billes d’alginate formées par réticulation dans une solution de CaCl₂. Comme observé la plupart du temps dans la littérature, le taux de croissance de l’algue encapsulée mesuré en erlenmeyer est plus faible que celui de l’algue cultivée de manière suspendue. Le photobioréacteur étudié est un lit fluidisé liquide-solide rectangulaire de 5 L. Il permet de cultiver efficacement la souche pendant près de 20 jours sans fuites dans le milieu de culture, en obtenant un taux de croissance plus important qu’en erlenmeyer (les conditions sont similaires).
Un modèle global pour prédire la croissance de la biomasse dans le réacteur est développé, prenant en compte l’hydrodynamique, la lumière et les cinétiques biologiques. L’hydrodynamique est étudié à l’aide de la CFD (mécanique des fluides numérique). Dans un premier temps, seule la phase liquide est modélisée. Le modèle CFD est validé expérimentalement par PIV (vélocimétrie par images de particules) sur 5 plans verticaux. Les vitesses moyennes et fluctuantes de la composante verticale sont comparées. Le modèle CFD permet de rendre compte de l’écoulement inhabituel du réacteur: laminaire et instationnaire. Une concordance satisfaisante entre les résultats CFD et PIV permet de valider quantitativement le modèle.
Le modèle liquide-solide est ensuite validé par une méthode d’atténuation de la lumière qui donne accès à la distribution locale de solide à travers l’épaisseur du réacteur. Le modèle CFD permet de mettre en évidence la forte influence de la densité des billes (qui est proche de l’eau) et de la force de portance sur l’écoulement. De plus, la CFD donne accès aux vitesses liquides et solides. Cela permet de quantifier l’influence du solide sur l’écoulement liquide.
Se fondant sur ces simulations, un modèle compartimenté basé sur la CFD est adapté au réacteur étudié. Cela permet de décrire l’hydrodynamique avec un temps de calcul réduit. Sur le modèle compartimenté, un modèle stochastique est utilisé pour prédire le mouvement du solide dans le réacteur et ainsi le déplacement des billes dans le champ de lumière. L’atténuation de la lumière est modélisée par une loi de type Beer-Lambert. Par conséquent, l’intensité lumineuse reçue par les algues lors de la culture est connue. Comme la lumière est le paramètre principal limitant la culture, il est possible de relier la croissance de la biomasse et « l’histoire lumineuse » des cellules. En outre, l’atténuation de la lumière due à la croissance est prise en compte. Un modèle à trois états de type PSF (PhotoSynthetic Factory) est utilisé pour calculer la croissance au sein du réacteur et les paramètres sont ajustés aux résultats expérimentaux. Le modèle permet d’atteindre une masse sèche finale proche de celle mesurée expérimentalement. Ce modèle global prévoit une forte influence de l’hydrodynamique sur la croissance de la biomasse dans ce photobioréacteur.
