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Theses Year : 2010

Energy and environmental analyses of a bioreactor for microalgae culture for energy production

Conception et analyses énergétique et environnementale d'un bioréacteur à microalgues pour la production d'énergie

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Abstract

Microalgae are photosynthetic organisms considered today for energy production. Photobioreactors are closed systems that present higher productivities than open ponds. In this study, a hydrodynamic model is developed for an internal airlift reactor and validated experimentally. Microparticles are added to the reactor at concentrations found in current microalgae cultures. Results show that gas hold-up and liquid velocities are not affected by the presence of particles. Light distribution and availability in the internal airlift reactor is calculated, taking into account biomass concentrations and algae optical properties. Light is attenuated from the wall to the reactor center while this attenuation increases with biomass concentrations. Based on two biological models, biomass productivities achieved in photobioreactors are higher than in open ponds. From biomass productivities, the reactor capacity to absorb CO2 and to release O2 is estimated. Results show that at moderate irradiances, dissolved O2 levels do not reach intoxication at low air flow rates. If natural air is injected into the reactor, CO2 and TIC become limiting therefore, it is necessary to inject CO2-enriched air. The hydrodynamics of a helical airlift reactor is also presented. Two pipe diameters are tested in the helical section. A mathematical correlation is proposed to estimate the friction factor as a function of the Reynolds number and curvature ratios. To perform microalgae culture at large scale, it is necessary to obtain a positive energy and GHGs balance. Therefore, microalgae culture has to be integrated in a system where conversion processes such as biodiesel production and anaerobic digestion are performed.
Les microalgues sont des organismes photosynthétiques considérés pour la production d'énergie. Les photobioréacteurs sont des systèmes fermés avec des productivités plus importantes que les bassins ouverts. Cette étude concerne l'expérimentation et la modélisation d'un réacteur du type " airlift à circulation interne". Des microparticules sont ajoutées pour modéliser les concentrations d'algues dans le réacteur. Les fractions du gaz et les vitesses du liquide ne sont pas affectées par la présence de microparticules. La distribution de la lumière dans le réacteur est calculée en considérant les concentrations de la biomasse et les propriétés optiques des algues. La lumière est atténuée de la paroi jusqu'au centre du réacteur et cette atténuation augmente avec la concentration de la biomasse. Les productivités de biomasse, estimées en utilisant deux modèles biologiques, montrent que celles obtenues dans les photobioréacteurs sont plus élevées que celles obtenues dans les bassins ouverts. La capacité du réacteur pour absorber du CO2 et produire de l'O2 est évaluée selon les productivités obtenues. A intensités lumineuses modérées, l'O2 dissout n'atteint pas le niveau d'intoxication, même pour de faibles débits d'air. Le CO2 et le CIT deviennent limitant si de l'air naturel est injecté dans le bioréacteur. Il est donc nécessaire d'injecter de l'air enrichi en CO2. L'hydrodynamique d'un réacteur airlift hélicoïdal est également présentée. Deux diamètres de tuyaux sont testés dans la section hélicoïdale. Une corrélation est proposée pour estimer le coefficient de frottement en fonction du Reynolds et le rapport entre le diamètre d'enroulement et le diamètre de tuyau. Pour réaliser la culture de microalgues à l'échelle industrielle, il est indispensable d'obtenir un bilan énergétique positif et de faibles émissions de GES. Pour cela, il faudra intégrer la culture dans des procédés de transformation tels que la production de biodiesel et la digestion anaérobique.
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Dates and versions

pastel-00631067 , version 1 (11-10-2011)

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  • HAL Id : pastel-00631067 , version 1

Cite

Ana Rengel. Energy and environmental analyses of a bioreactor for microalgae culture for energy production. Chemical and Process Engineering. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2010. English. ⟨NNT : 2010ENMP0046⟩. ⟨pastel-00631067⟩
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