Coalescence et biofilm dans un photobioréacteur confiné – ALLIGATOR

Des expériences sont réalisées dans une cellule confinée de grande extension adaptée à l’étude d’un nuage de bulles en interactions. Elles consistent à filmer par caméra rapide l’évolution de la population des tailles de bulles lorsque l’on ne bloque pas la coalescence. Des essais sont réalisés dans de l’eau, dans une solution de fluide non-Newtonien puis en fluide visqueux. Des post-traitements spécifiques des séries d’images sont développés afin d’extraire les informations utiles à la modélisation des mécanismes de coalescence.
Dans la tâche consacrée à l’étude et au contrôle du biofouling, les taux d’adhésion de deux espèces de microalgues d’intérêt industriel sont mesurés online en vue de tester les conditions de bullage permettant de retarder l'adhésion. Avec le tomographe à cohérence optique (OCT, Optical Coherence Tomography), des essais visant à évaluer l’impact des conditions hydrodynamiques sur la dynamique de formation de biofilm des microalgues modèles sont réalisés.
Un photobioréacteur d’entrefer 2 mm en PMMA a été conçu et construit pour l’étude à l’échelle du réacteur, d’abord en maquette froide puis en culture intensifiée. Le comportement global de ce réacteur est caractérisé du point de vue hydrodynamique et transfert gaz-liquide et ce pour plusieurs fluides modèles : eau (fluide newtonien peu visqueux), solution aqueuse de glycérol à 50% massique (fluide newtonien visqueux) et solutions aqueuses de gomme xanthane à 0,5 et 1 g.L-1 (fluides non-newtoniens de viscosité croissante). Ainsi les influences respectives du confinement et des propriétés rhéologiques de la phase liquide (représentant des concentrations croissantes de cultures de microalgues) peuvent être mises en évidence.

Les post-traitements des séries d'images mettant en évidence le phénomène de coalescence au sein d'un nuage de bulles ont été réalisés avec l'eau en tant que phase liquide et ont conduit à des développements en modélisation de la coalescence. Ces résultats ont abouti à la soumission d'un article dans Journal of Fluid Mechanics.

Concernant le biofouling, les résultats montrent que le taux d’adhésion est fortement dépendant de la concentration algale et du type d’espèce en étude. Les observations in situ issues du couplage de la microscopie confocale à balayage (CLSM, Confocal Laser Scanning Microscopy) et de l’OCT montrent une forte hétérogénéité spatiale du biofilm, certainement associée aux différentes conditions hydrodynamiques locales. Par ailleurs, les premiers essais démontrent une amélioration de la transmission de la lumière au sein du réacteur pour les plus forts débits de gaz appliqués. Cela suggère l’intérêt de l’approche proposée dans le cadre de ce projet d’utiliser le bullage pour minimiser le développement du biofilm sur les parois du photobioréacteur.

Les résultats concernant l'hydrodynamique et le transfert gaz-liquide à l'échelle globale montrent de manière intéressante, qu’à vitesse superficielle de gaz donnée, le taux de vide est plus élevé en fluide visqueux ou non newtonien que dans l’eau et dans une colonne de faible entrefer que dans une colonne traditionnelle. Le temps de mélange est par contre significativement augmenté par la viscosité et le confinement. Enfin, contrairement à ce qui était attendu, le coefficient global de transfert gaz-liquide est plus faible en colonne de faible entrefer par rapport aux colonnes conventionnelles, et il diminue aussi avec le degré de confinement. L’augmentation de la viscosité et le caractère non-newtonien n’ont quant à eux que peu d’influence sur le transfert gaz-liquide global.

Le post-traitement des images de nuages de bulles obtenues en fluide non-newotnien doit encore être réalisé. D'autre part, l’observation du comportement original des nuages de bulles en fluide non-Newtonien, nous a amenés à réaliser des expériences complémentaires pour caractériser la dynamique de bulles isolées. Les enregistrements vidéo associés devront également être traités et analysés.

Maintenant que les outils d’imagerie du biofilm (acquisition et traitement) ont été mis en place et validés, l’étude des conditions de bullage permettant de retarder l’adhésion seront testées. La caractérisation du taux de cisaillement local sera conduite prochainement par le GEPEA en collaboration avec le LGPM afin de valider l'hypothèse que le bullage influe sur la nature du biofilm. Dans ce contexte, d’autres conditions de bullage (fréquence, débit) seront étudiées par la suite afin de proposer une stratégie optimisée de nettoyage.

Des études locales d’ombroscopie et de PIV vont venir compléter l'étude globale, et le cisaillement pariétal va être mesuré pour mieux quantifier son influence sur le développement possible de biofilm. Enfin, des cultures seront réalisées dans des conditions permettant de limiter la coalescence des bulles et de limiter le bifouling pour valider l'ensemble de la démarche.

Soumis : J. Ruiz-Rus, P. Ern, V. Roig, C. Martinez-Bazan, Inertial self-induced collision and coalescence in a swarm of high-Re confined bubbles, submitted to Journal of Fluid Mechanics, January 2022

FANESI, Andrea, LAVAYSSIÈRE, Marc, BRETON, Cyril, et al. Shear stress affects the architecture and cohesion of Chlorella vulgaris biofilms. Scientific Reports, 2021, vol. 11, no 1, p. 1-11.

RUIZ RUS, Javier, ERN, Patricia, ROIG, Véronique & MARTINEZ BAZAN, Carlos, Exploration of coalescence mechanisms in confined bubble swarms, Dispersed Two-Phase Flows – SHF, 12-14 October 2021

FANESI, Andrea, MARTIN Thierry, BRETON, Cyril, and LOPES Filipa, Bubbling for light: microalgae biofilm control in PBRs. Algaeurope 7-10 December 2021 (Oral presentation, Online).

Les photobioréacteurs (PBRs) dédiés à la culture des micro-algues ou des cyanobactéries sont une technologie prometteuse pour de nombreuses applications telles que la production de produits à haute valeur ajoutée, de bioénergie ou la capture de CO2.
Cependant, des progrès technologiques sont encore nécessaires pour réduire les coûts de production et les impacts environnementaux et accroître l'efficacité énergétique. Dans ce contexte, l'intensification des performances via une augmentation de la concentration de culture pour une surface éclairée donnée représente un moyen prometteur pour réaliser une production optimisée et éco-efficace. C'est pourquoi le projet ALLIGATOR vise à développer un nouveau concept de photobioréacteur intensifié. La configuration proposée consiste en une colonne à bulles à faible entrefer censée améliorer le transfert gaz-liquide et favoriser le mélange tout en permettant une concentration de biomasse élevée, et en garantissant la disponibilité de la lumière sur toute l'épaisseur du réacteur. Les problèmes de coalescence et de biofilm constituent un défi majeur pour le développement de cette technologie et seront spécifiquement abordés dans le projet.
Le programme implique des études complémentaires à l'échelle locale et à l'échelle du réacteur. Des développements scientifiques fondamentaux et originaux sont attendus: (i) connaissances scientifiques sur l'hydrodynamique diphasique complexe mise en jeu et le transfert gaz-liquide dans une colonne à bulles à faible entrefer, ce réacteur gaz-liquide intensifié innovant étant potentiellement intéressant pour d'autres applications que la culture de microalgues, (ii) une meilleure compréhension physique des mécanismes de coalescence des bulles dans les milieux non newtoniens et de l'influence de la rhéologie sur la dynamique 2D d'un essaim de bulles, (iii) une connaissance approfondie de la dynamique des biofilms de microalgues en mettant l'accent sur l'impact de l’hydrodynamique gaz liquide, ce qui constitue une percée pour le développement des PBRs et contribuera à accroître les connaissances scientifiques sur les biofilms photosynthétiques peu étudiés à l’heure actuelle dans la littérature.
Technologiquement, plusieurs avancées sont également attendues: (i) une nouvelle technologie de PBR confiné 2D sera testée et développée à l'échelle du laboratoire, avec pour objectif un gain significatif en terme de productivité, (ii) des règles d'extrapolation seront développées pour prédire des informations clés telles que le temps de résidence des bulles, la performance de mélange, le transfert gaz-liquide, la contrainte de cisaillement aux parois, les cinétiques de rupture et de coalescence, iii) les conditions pour limiter le biofilm et la coalescence seront proposées. En combinant des compétences académiques en Mécanique des fluides (IMFT), Biofilm/Biofouling (LGPM) et Bioréacteurs (GEPEA), ce projet collaboratif explorera la faisabilité d'un nouveau PBR confiné et améliorera la compréhension physique et la prédiction des écoulements à bulles ainsi que des biofilms photosynthétiques.