FERMENTEURS TRANSFERTS GAZEUX. M.Nonus 1

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1 FERMENTEURS TRANSFERTS GAZEUX M.Nonus 1

2 Fermentation-Transferts Gazeux M.Nonus 2

3 C02 02 M.Nonus 3

4 Rendement : Y Fermentation X/S ; X/ N ;X/02 ; P/S.. Production volumique: g /l ; U /ml Productivité volumique horaire: g /l /h. Productivité spécifique : g /g X. Productivité spécifique horaire: g /g /h M.Nonus 4

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6 Fermentation-Transferts Gazeux Respiration Consommation O2 Production de CO2 Instantanée, par unité de temps, totale. CER: Carbone dioxyde evolution rate Taux d évolution du CO2 moles/l/heure Q02 : quantité d oxygène consommée QCO2 : quantité de C02 produite M.Nonus 6

7 Fermentation-Transferts Gazeux OTR: Oxygen Transfert Rate Taux de transfert en oxygène m.moles/l/h Apport en oxygène - vitesse d apport OUR: Oxygène Uptake rate Taux de consommation en oxygène m.moles/l/h Consommation d oxygène vitesse de consommation RQ: Respiratory coefficient QR = Q CO2 /Q O2 QR : quotient respiratoire M.Nonus 7

8 Fermentation-Transferts Gazeux OUR : oxygène uptake rate. Taux de consommation en oxygène m.mole/l/h Lorsque OTR = OUR OUR = X.Q O2/x X : biomasse en g/l ( compris entre 1 et 50) Q O2/x : taux spécifique d assimilation d oxygène ou rendement (m.mole O2/gX/h)(compris entre 2 et 90) M.Nonus 8

9 Fermentation-Transferts Gazeux Oxygen transfer from gas bubble to cell Bulk liquid Cells with liquid film Gas phase k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 Gas-liquid interface Oxygen transfer rate OTR = K L a (C*-C) [mmol L -1 h -1 ] M.Nonus 9

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11 Fermentation-Transferts Gazeux C*= concentration en oxygène à l interface gaz liquide m.mole/l C = concentration en oxygène dans le liquide m. mole 02/l C* et C sont affectés par pression, la température et la concentration en sels, les composants du milieu de culture K L a est affecté par la géométrie des équipement, les propriétés des fluides et les conditions de fonctionnement M.Nonus 11

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14 Fermentation-Transferts Gazeux OTR : taux de transfert en oxygène(m.mole O2/l/h) K L : coefficient de transfert cm/h K L a :coefficient volumique de transfert h-1 a : rapport surface volume cm2 /cm3 C concentration m.mole/l M.Nonus 14

15 Fermentation-Transferts Gazeux Pression Partielle Pp 02 =( P atm+ P sup-pp vap.h20) X 20,9/100 Pp en mm Hg Loi de Henry P= k C P= Pression partielle de la phase gaz au dessus du liquide en atm C = concentration de gaz dissout en mol/l K= Constante de Henry l.atm/mol 02 = 4, CO2 = 1, H2 = 7, M.Nonus 15

16 Fermentation-Transferts Gazeux Pression Partielle Pp 02 = ( Pb + P u - Pp vap.h20) X 20,9/100 Pp en mm Hg Pb = pression barométrique en mm Hg Pu: surpression en mm Hg Pp H20 pression partielle de la vapeur d eau en mm Hg Exp: à 30 C Pb = 730 Pu= 300 Pp = 32 PpO2 = 209 mm Hg M.Nonus 16

17 Fermentation-Transferts Gazeux Gas phase Liquid film Bulk liquid C g 300 mg L -1 d a b c 7 mg L -1 C=C* 0<C<C* C=0 d Distance Oxygen transfer rate (OTR, mmol L -1 h -1 ) OTR = K L a (C*-C) K L a [h -1 ] - Volumetric oxygen transfer coefficient (oxygen transfer capacity of a reactor) M.Nonus 17

18 Fermentation-Transferts Gazeux Influence de la salinité et de la température Formule empirique C = ,65 s / 33,5 + T C mg/l s salinilité en g/l T en C M.Nonus 18

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20 Fermentation-Transferts Gazeux Cultivation with oxygen consumption Influence of the K L a value Typical K L a values for different systems Cultivation vessel [h -1 ] Test tube 20 Flat bed bottle 50 Shake flask 500 k L a value Shake flask (with baffles) 1200 Mini-fermenter M.Nonus 20

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22 Fermentation-Transferts Gazeux Elément à prendre en compte pour dimensionner un agitateur : Énergie mise en jeu/ essais pilote Débit de gaz : VVm: volume par volume par minute VVh : volume par volume par heure Si on veut conserver le VVm ou VVh constant il y a augmentation de Ug donc à un accroissement dekla On sait que la puissance dissipée diminue en présence de gaz. M.Nonus 22

23 Fermentation-Transferts Gazeux K L a = k (P/V) α (U g ) β K: coefficient dépendant du système utilisé P/V : puissance dissipée dans le milieu par unité de volume(kw/m3) Ug : vitesse spécifique du gaz, rapport débit de gaz sur la section de la cuve(m/s) α β: dépendant du milieu coalescent ou non et de l agitateur en milieu coalescent α = 0,5 à 0,7 β = 0,2 à 0,5 M.Nonus 23

24 Fermentation-Transferts Gazeux K L a : extrapolation Tenir compte des capacités d absorption et de dispersion du gaz par le système d agitation Mobiles de type axiaux, hélices ; action de pompage, sert à mélanger accélération du fluide peu de consommation énergétique Mobiles adaptés à la dispersion du gaz et à la dissipation d énergie lesturbines à pales radiales sur disque :type Rushton M.Nonus 24

25 Fermentation-Transferts Gazeux Type Rushton Aspiration axiale et refoulement radial ceci dissipe une forte énergie, les pales sur le disque sont souvent verticales ecréent une forte turbulence très grande vitesse du fluide et un fort cisaillement, le disque plein agit comme un piège pour le gaz et le dirige vers les pales. Ces turbines consomment 10 à 12 fois plus d énergie que les hélices. M.Nonus 25

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30 Fermentation-Transferts Gazeux On exprime la relation de l évolution du débit gazeux en fonction de la vitesse sous forme adimentionnelle Qg/ND 3 = f(n 2 D/g ) x (D/Dc) y Qg/ND 3 nombre de débit gazeux ou nombre d aération g accélération de la pesanteur m/s2 Dc diamètre de la cuve en m M.Nonus 30

31 Fermentation-Transferts Gazeux Etude de la puissance dissipée Etude du rapport Pg/P puissance en milieu aéré sur puissance en milieu liquide. En milieu peu visqueux Pg/P =f( Fr x (Qg/ND 3 ) y ) La puissance consommée en milieu aéré dépend du débit de gaz injecté Qg mis sous forme adimentionnelle NQ Nombre de débit et du nombre de Foudre Fr En pratique Nq = 0,8 pour Rushton et 0,6 pour une hélice Nq = Qg/ND 3 M.Nonus 31

32 Fermentation-Transferts Gazeux Nq = Qg/ND 3 Qg dédit de gaz injecté m 3 /h N:vitesse de rotation min-1 D :diamètre du mobile en m En pratique Nq = 0,8 pour Rushton et 0,6 pour une hélice M.Nonus 32

33 Fermentation-Transferts Gazeux Nombre de Foudre Caractérise le vortex, rapport de force d inertie par rapport à la gravité Fr = D N 2 /g D= diamètre de l agitateur m N= vitesse rotation min-1 g = accélération de la pesanteur m/s 2 M.Nonus 33

34 Fermentation-Transferts Gazeux Relation de MICHEL et MILLER la plus connue qui relie la puissance aux caractéristiques géométriques Pg= 0,8 ( Po 2 ND 3 /Qg 0,56 ) 0,46 pour le couple air eau Po= P g/ N 3 D 5 Pg/Po = 0,5 Po nombre de puissance ( corrélation de Reynolds) P: puissance dissipée kw Pg: puissance dissipée en milieu gazéifié M.Nonus 34

35 Fermentation-Transferts Gazeux Pratique pour une turbine 6 pales Qg/ND 3 = k (N 2 D/g ) 0,7 (D/Dc) 2 Avec k = 2,5 pour le point de charge Et k = 4 pour le point d engorgement M.Nonus 35

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42 Fermentation Génie civil Zone de production de matières premières stockage Vapeur Air comprimé Eau Logistique Environnement Eau; air, bruit M.Nonus 42

43 Bio-réacteur - Fermenteur Bio-réacteur: équipement pour réaliser toutes sortes de bio-procédés. Fermenteur: bio-réacteur qui permet d atteindre et de maintenir les conditions optimales de fermentation en conditions stériles, l ajout de de nutriments, l obtention de produits, la mise en place de capteurs ainsi que les équipements de chauffage, refroidissement, aération, agitation, stérilisation etc M.Nonus 43

44 Fermentation Métabolisme Dégradation par déshydrogénation des substances organiques en par des organismes ou cellules en conditions anaérobies où les électrons sont transférés aux métabolites qui s accumulent et sont excrétés sous forme réduite. La fermentation est seulement possible si l organisme est capable de gagner de l énergie au cours de cette réaction. Microbiologie Processus au cours du quel les cellules sont cultivées en bio-réacteur en milieu liquide ou solide afin de convertir les substances organiques en biomasse et/ou en produits. M.Nonus 44

45 Biomasses Ethanol Acides organiques Enzymes Acides aminés Vitamines Antibiotiques Protéines recombinantes Polysaccharides Bio-conversions Insecticides Fermentation M.Nonus 45

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48 Techniques de cultures M.Nonus 48

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50 Techniques de cultures M.Nonus 50

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59 Aciers Épaisseur des tôles : 5 à 30 mm entre 5 et 8 mm (Lac) laminé à chaud en bobines Ou (Laf) laminé à froid qualité Sensimir 2B Ra 1,3µ > 8mm en feuilles Ra 6,3µ Ra :paramètre de rugosité en µ Qualité poli miroir Ra = 0,1µ M.Nonus 59

60 Dimensionnement H/D hauteur sur diamètre 1,35 à 3,5 plus élevé sur air lift M.Nonus 60

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63 Fermentation-Paramètres Vitesse agitation Aération Pression Température ph Oxygène dissous. C02 dissous Anti-mousse Niveau Poids Analyse de gaz Redox Métabolites. M.Nonus 63

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71 Fermentation-Transferts Gazeux Effets de l agitation Mobile d agitation : géométrie, disposition, vitesse mélange homogénéité. Bulles de gaz : taille vitesse parcours coalescence M.Nonus 71

72 Fermentation-Transferts Gazeux Conception Contraintes mécaniques Transferts Tranferts Chaleur Matières (02) (02) Comportement rhéologique Physiologie microbienne M.Nonus 72

73 Fermentation-Transferts Gazeux Placer la population microbienne dans des conditions optimales. Assurer les besoins physiologiques Déterminer l évolution du comportement rhéologique Assurer les transferts Dimensionnement et changement d échelle M.Nonus 73

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