Bioréacteurs A. Garnier GCH-2103 A-2010. Plan Bioréacteurs Contraintes hydrodynamiques Mise à...
-
Upload
madeline-soulier -
Category
Documents
-
view
112 -
download
1
Transcript of Bioréacteurs A. Garnier GCH-2103 A-2010. Plan Bioréacteurs Contraintes hydrodynamiques Mise à...
Bioréacteurs
A. GarnierGCH-2103A-2010
Plan
Bioréacteurs Contraintes hydrodynamiques Mise à l’échelle Transfert de masse Transfert thermique Systèmes
Types de bioréacteurs
Gazo-syphon « deep-shaft »
Réacteurs agités
Contraintes hydrodynamiques
Vitesse de bout de pale:
Gradient de vitesse:
( / min) ( ) ( )MAX iu m N rpm D m
1 ( ) ( ) 2
(min )( )MAX T i
u N rpm D m
r D D m
Contraintes hydrodynamiques– dissipation visqueuse en système turbulent - modèle de Kolmogoroff
1/43/4
,min 1/2L
tourbillonL L
Pd
V
•Modèle
•Effet des tourbillons
Mise à l’échelle
LES ÉTAPES DU TRANSFERT DE MASSE
LIQUIDE
interface gaz-liquide
film liquide
masse du liquide
film liquide
Interface solide-liquide
CELLULE(seule ou en agrégat)
GAZ(bulle ou surface)
1 2 3 45
67
O2
CO2
Flux = KL (C* - C)
LES EFFETS SUR KLa
KL a
Hydrodynamique (N, géométrie, (db))
T, viscosité, densité,[surfactant], diffusivité
P/V, Re, Fr, Na, …
A/VL ou (6/db * g)
QG
LE MODÈLE SIMPLE DE TRANSFERT DE MASSE DANS UN BIORÉACTEUR
QG, yO2in
QG, yO2
VG
VL, C, X, qO2
XqCCakdtdC
OL 2)*(
)*( CCakdtdC
L
XqCCak OéL 2
)*(
Bilan général:
En absence de biomasse:
À l ’équilibre:
Où: ..* 2
pressionp
pyHC O
qO2 = (mole d’O2 / (g de cellules . s)
LES HYPOTHÈSES
• Les propriétés sont constantes
• Les 2 phases sont parfaitement mélangées
• Dans le cas de la mesure dynamique:
• le temps de résidence de la phase gaz est court par rapport au temps caractéristique de transfert de masse
• en bullage: la contribution de la surface est négligeable
• le temps de réponse de la sonde est court
Prédiction de kLa – détermination de la puissance dissipée
L
L DiN
2
Re
53 DiN
PP
LNO
Graphe PNO vs Re
(pour différents agitateurs)P (non-aéré, un module d’agitation)
Pa(un module)
3DiN
QNa G
Graphe Pa/P vs NaPa/P
Ptot
Nb de module
Prédiction de kLa – corrélations Vaisseau agité, Van’t Riet
(1983) (+/- 20-40%)– Non-coalescent (2<VL<4400 L,
500 < P/V < 10000 W/m3)
– Coalescent (VL<2600L, 500 <
P/V < 10000 W/m3)
Colonne à bulle, eau, coalescent:
Airlift (Bello et al., 1981)
)(s )()/(102 12,07,03 gsL UVPak
)(s )()/(106,2 15,04,02 gsL UVPak
)(s )(32,0 17,0 gsL Uak
)(s Ad/Ar)(1
)/(10x5 18,04
VPakL
Méthodes de détermination expérimentale du kLa
Régime stationnaire vs dynamique
Avec/sans micro-organisme
Dynamique sans u-org.: stimulation échelon
)*( CCakdt
dCL )*ln()*ln( 0CCtakCC L
-1
0
1
2
3
4
5
0 100 200 300 400 500 600
t (s)
ln(C
*-C
)
•Simple•Rapide•Dépendance aux hypothèses•Difficile à réaliser à grande échelle
Stationnaire sans u-org.: sulfite
Sulfite + O2 = sulfate
SO2-- + ½ O2 SO3
--
Cu++, Co++
• Réaction d’ordre 0, assez rapide• On dose le sulfate en fonction du temps
avec du permanganate de potassium (KMnO4)
• rO2 = kLa.C* = ½ d(SO4--)/dt
Stationnaire avec u-org.
Mesure de O2 dans la phase gaz à l’entrée et à la sortie et mesure de OD
Exemple: – culture de 1m3 de u-org (10 g/L)– QG = 0,2 VVM
– pO2, in= 0,21 atm, pO2,out= 0,105 atm, OD=0%
– T=30C, R=8,205E-5 m3.atm.gmole O2-1. K-1
– H= 1 mole.m-3.atm-1
– Trouver kLa et qO2
1,0E-04
1,1E-04
1,2E-04
1,3E-04
1,4E-04
1,5E-04
1,6E-04
1,7E-04
1,8E-04
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
t (s)
ln (
C*-
C)
(mo
le/L
)
Dynamique avec u-org.
XqCCakdtdC
OL 2)*(
1 2
1- bullage interrompu2- bullage réactivé
Dynamique avec u-org. (suite)
1. Arrêt du bullage (et parfois réduction de N) Le T de M n’est pas absolument nul Le système n’est plus nécessairement homogène Nécessite bonne connaissance de C* en unités physique
réelles Hypothèse de cinétique d'ordre 0 Permet d’obtenir qO2X
Avec qO2X, on peut déterminer kLa avec les données du régime permanent: Céq = C* - qO2X/kLa
Dynamique avec u-org. (suite)
2. Réactivation de l’aération (et de N)– Méthode archaïque:
tracer dC/dt + qO2X = kLa (C*-C)– Méthode alternative: soustraire la relation à l’équilibre:
dC/dt = kLa (Céq-C)– Détermination de kLa simple et précise– Doit correspondre avec données à l’équilibre– Variante: petite perturbation échelon de pO2
– Toutes les hypothèses nécessaires pour la détermination de kLa en régime transitoire sans micro-organisme doivent également être respectées
Dynamique avec u-org. -exemple
Les données suivantes ont été recueillies par une expérience de détermination du transfert de masse dynamique durant une culture de E. coli à 5 g/L.
Calculez qO2
Calculez kLa Confirmez ces valeurs à partir
des données à l’équilibre
t (s) C x104 (M)
0 1,74
25 1,54
50 1,26
75 0,98
100 0,7
120 0,48
150 0,95
200 1,37
250 1,58
300 1,67
350 1,72
Transfert thermique
Sources:– Qmet: Chaleur générée par culture– Qag: chaleur générée par agitation mécanique– Qgaz: chaleur générée par puissance d’aération
Puits:– Qévap: chaleur évacuée par évaporation– Qexch: chaleur éliminée par l’échangeur– Qsen: différence d’enthalpie des écoulements
Accumulation: Qacc
Moyens d’évacuation de la chaleur
Bilan thermique
Qacc = Qmet + Qag + Qgaz – Qexch – Qévap- Qsen– On peut utiliser Qacc pour mesurer Qmet en système isolé– En général, on peut négliger Qévap, Qsen– En régime permanent, Qacc = 0
Qexch = Qmet + Qag + Qgaz
1,1-1,45 g cell./J ou500 kJ/mole O2
=L.g.Ugs
.VL (Guy et al. (1986)
Calculé précédemment=h.A.T