L'influence des facteurs principe environnement dans le but d'optimiser la production des bioprocédés lipopeptide ont été testés en vue de son utilisation dans la conception nouvelle de bioréacteur à lit fluidisé inverse couplée à une section film de liquide dessus. La production de surfactine lipopeptides et fengycine a été réalisée par les cellules libres et immobilisées aérobie d'un nouveau dérivé spontanée Bacillus subtilis BBG21, qui est un mutant spontané de l'ATCC 21332 considérés comme de type sauvage. Les résultats ont été comparés à ceux obtenus avec la souche de type sauvage. Les principaux paramètres ont été testés: le taux de transfert d'oxygène, le pH et la température. Les souches ont été cultivées dans un milieu de Landy et Landy modifié de tampon MOPS avec 0,1 M. Influence du taux de transfert d'oxygène a été testé dans des flacons agités à l'aide de tailles de flacon différentes, le volume de remplissage, la fréquence d'agitation et de diamètre en secouant, la production de surfactine a montré une forte corrélation avec l'augmentation des taux de transfert d'oxygène, contrairement à la fengycine, tandis que le taux de transfert d'oxygène très diminué dû à l'acidification du milieu de culture grâce à l'absence de production de lipopeptides a été détecté. Trois régimes différents d’optimisation de la production de lipopeptides ont été observées avec un taux élevé, modéré et limité (OTR) et différents (Rsurf / feng). La meilleure productivité a été obtenue pour la culture à pH 7,0 initial. L'augmentation de la température a permis d'améliorer le rendement surfactine mais a réduit la production fengycine qui a été presque indétectable. Toutefois, l'optimisation de la production et le transfert d'oxygène de gaz-liquide et de mousse ont été étudiés dans un laboratoire dans le bioréacteur à lit inverse fluidisé de conception proposée avec une section film liquide dessus. L'oxygène coefficient de transfert volumétrique (kla) et l'activité mousse ont été déterminés à différentes conditions en utilisant le modèle et la fermentation réelle. Les niveaux de surfactant ont été examinés ci-dessous, et plus près de la concentration micellaire critique (CMC). Les valeurs des (kla) avec deux types de particules de différentes rugosité de surface ont été déterminées et pour une gamme de vitesses de liquide superficielle (Ul) de 0,01 à 0,05 m s-1, les vitesses des gaz (Ug) de 0,003 à 0,014 m s-1 et la surface tensions (σ) de 30 à 72 mN m-1. L'influence du support a été démontrée. Une forte réduction de ce paramètre a été observée dans le modèle et le réel et le media modèle quand la tension de surface a diminué de 72 à 30 mN m-1. Toutefois, la présence de surfactine et fengycine génère un moussage excessif qui impose des difficultés sur le rendement du bioréacteur qui était contrôlée par la conception proposée de nouveaux réacteurs. Les différentes gammes de vitesse spatiale du gaz minute, ainsi que l'état de non équilibre de régimes d'écoulements de fluides ont été étudiés. En utilisant l'approche de l'analyse de corrélation pour une dimension (kla) proposée et les coefficients calculés et expérimentaux sont en assez bon accord. / The influences of principle environmental factors in the goal to optimize the lipopeptide production bioprocess were tested in view of its use in new design of inverse fluidized bed bioreactor coupled with a liquid film top section. The production of lipopeptides surfactin and fengycin was performed by free and immobilized aerobic cells of a new spontaneous derivative Bacillus subtilis BBG21, which is a spontaneous mutant of the ATCC 21332 considered as wild type. Results were compared to those obtained with the wild-type strain. The main parameters were tested: oxygen transfer rate, pH and temperature. The strains were cultivated in Landy and Landy modified medium buffered with MOPS 0.1 M. Influence of oxygen transfer rate was tested in shake flasks by using different flask size, filling volume, shaking frequency and shaking diameter, the surfactin production showed high correlation with the increasing of oxygen transfer rate, contrary with fengycin, while the highly decreased of the oxygen transfer rate due to acidification of the culture medium due to no production of lipopeptides was detected. Three different lipopeptides production optimization regimes were observed with high, moderate and limited (OTR) and different (Rsurf/feng) ratio. The best productivity was obtained for the culture at initial pH 7.0. Interestingly the increasing of temperature allowed to improve the surfactin yield but reduced the fengycin production which was nearly undetectable. However, the production optimization and the gas-liquid oxygen transfer and foaming were studied in a laboratory scale in the proposed bioreactor design inverse fluidized bed with a liquid film top section. The volumetric oxygen transfer coefficient (kla) and foaming activity were determined at various conditions using model and real fermentation. Surfactant levels were examined below, near and over the critical micelle concentration (CMC). The (kla) values with two types of different surface roughness particles were determined and for a range of superficial liquid velocities (Ul) from 0.01 to 0.05 m s-1, gas velocities (Ug) from 0.003 to 0.014 m s-1 and surface tensions (σ) from 30 to 72 mN m-1. The influence of support has been demonstrated. A strong reduction of this parameter has been observed in the real and model media when the surface tension decreased from 72 to 30 mN m-1. However, the presence of surfactin and fengycin generates extensive foaming that imposes difficulties on the bioreactor performance which was controlled by the proposed new reactor design. The different ranges of gas minute space velocity, as well as no steady state regimes of fluid flows have been studied. By using the dimensionless analysis approach a correlation for (kla) has been proposed and the calculated and experimental coefficients are in fairly good agreement.

Des travaux préliminaires réalisés en fiole d'Erlenmeyer ont montré que l'environnement hydrodynamique, caractérisé par la puissance dissipée volumique (P/V) et le coefficient de transfert en oxygène (kLa), jouait un rôle important lors du procédé de production de pristinamycines par Streptomyces pristinaespiralis (Mehmood, 2011). L'objectif de ce travail est donc d'étudier l'influence de ces deux phénomènes dans des bioréacteurs mécaniquement agités (STR), largement utilisés à l'échelle industrielle, et de type gazosiphon. Dans un premier temps, une description de l'environnement hydrodynamique global a été réalisée en STR. En ce qui concerne le bioréacteur gazosiphon, celui-ci a été conçu et dimensionné spécifiquement pour ce travail. Une caractérisation des écoulements dans ce bioréacteur a ensuite été réalisée par simulation numérique des écoulements. En appliquant les mêmes conditions hydrodynamiques que celles étudiées lors de culture en fioles d'Erlenmeyer, les performances en terme de croissance et de production de pristinamycines ont toujours été moindres en STR et en gazosiphon qu'en fiole. Ceci démontre que P / V, kLa mais également la dissipation maximum, ne constituent pas les bons paramètres d'extrapolation. Par contre, les performances mesurées semblent être reliée aux variations de formes morphologiques observées (présence et taille des pelotes) et à la physiologie des cellules au sein de ces structures. De façon surprenante, au cours de ce travail, le déclenchement de la production de pristinamycines a quasiment toujours été obtenu lors de la phase de croissance de S. pristinaespiralis. Nos travaux n'ont pas permis de mettre en évidence la raison de ce phénomène. Celui-ci est certainement la conséquence de plusieurs paramètres qui restent encore à préciser / Previous results performed in Erlenmeyer flasks have shown that the hydrodynamics, characterized by power dissipation per unit of volume (P/V) and volumetric oxygen mass transfer coefficient (kLa), impacted the production of pristinamycins by Streptomyces pristinaespiralis (Mehmood, 2011). The aim of this work is then to study the influence of these two parameters in a stirred tank bioreactor (STR), widely used in industry, and in an airlift bioreactor. This last bioreactor has been designed specifically for this work. In a first part, the hydrodynamic environment was described in STR and the fluid flows were simulated by computational fluid dynamics (CFD). Using the same hydrodynamic conditions in STR and in airlift bioreactor than in flasks, the process performance (bacterial growth and pristinamycin production) were always lower in STR and airlift bioreactor. This demonstrates that P / V, kLa and also maximum dissipation were not pertinent scale-up criteria for the pristinamycin production from flask to STR or airlift bioreactor. On the contrary, the determined performances seemed to be related to the changes in bacterial morphology (presence and size of pellets) and to the physiology of the cells inside these structures. Surprisingly, during this work, the initiation of the pristinamycin production occurred almost always during the growth phase of S. pristinaespiralis. This phenomenon was probably due to the conjunction of several parameters which remain to identify

Le but principal de cette étude était d'évaluer et de mieux comprendre l'impact de la vitesse superficielle de gaz et des propriétés de boues activées (BA), sur leur comportement rhéologique et le transfert de l'oxygène dans des bioréacteurs.Tout d'abord, la rhéologie des BA a été évaluée à l'aide d'un rhéomètre tubulaire, conçu et construit dans ce travail. Des mesures rhéologiques ont été effectuées avec des BA provenant de cinq stations d'épuration (STEP) et avec des concentrations en MES comprises entre 2.3 et 10.2 g L-1. Selon ces résultats, la rhéologie des BA est significativement déterminée par la concentration en matière en suspension (MES) mais d'autres caractéristiques liées à leur origine, tel que la taille, la cohésion et la densité du floc, peuvent aussi influencer la viscosité apparente des boues. Basé sur les rheogrames expérimentaux, le modèle rhéologique issu de cette étude est comparé à des modèles rhéologiques existants.Deuxièmement, le transfert d'oxygène a été évalué dans une colonne à bulles (Hc=4.4 m, Dc=0.29m) installée dans deux STEP: une installation classique et un bioréacteur à membrane. La colonne, alternativement équipée d'un diffuseur fines ou grosses bulles (FB, GB), a été alimentée en continu avec des BA extraites du réacteur d'aération, ou de la boucle de recirculation ou du réacteur membranaire. Pour des MES comprises entre 3.0 et 10.4 g L-1, le coefficient kLa a étéplus faible dans les BA que dans l'eau propre et encore réduit avec une augmentation des MES. Cette diminution est en partie attribuable à la réduction observée de la rétention de gaz (εG), associée à une augmentation de la viscosité apparente des boues, celle-ci entrainant une réduction de l'aire interfaciale spécifique (a) due à la coalescence de bulles et à la formation de bulles plus grosses. Aussi, la concentration des tensioactifs non ioniques, a montré un effetnégatif sur le coefficient kLa lors des tests d'oxygénation effectués en aération FB et faibles concentrations en MES. Cet impact n'a pas été observé dans des conditions d'aération GB, ce qui a été expliqué par le taux de renouvellement d’interface plus élevé généré par ces dernières. Enfin, le taux de cisaillement moyen exercé par l'essaim de bulles dans la colonne pendant les tests d’oxygénation a été théoriquement évalué compte tenu des conditions d’opération. Par lasuite, des corrélations empiriques ont été construites en utilisant des nombres adimensionnels et expriment le coefficient kLa en fonction de la vitesse superficielle de gaz et la viscosité apparente, tout en considérant sa dépendance du taux de cisaillement. Enfin, le facteur alpha est défini comme une loi de puissance décroissante en fonction de la viscosité apparente, pour des systèmes à faible chargé. / The main purpose of this study was to evaluate and better understand the impact of superficial gas velocity and activated sludge properties,on activated sludge rheology and oxygen transfer in bioreactors. First of all, activated sludge rheology was evaluated using a tubular rheometer, designed and constructed in this work. Rheological measurements were performed with activated sludge from five different wastewater treatment plants and with MLSS concentrations between 2.3 and 10.2 g L-1. Results showed that although the sludge rheology is significantly defined by the MLSS concentration, other sludge characteristics related to the sludge orign, such as such as floc size, floc cohesiveness and floc density also influence the sludge apparent viscosity. Existing rheological models were evaluated on the set of obtained experimental flow curves. Besides, the oxygen transfer is evaluated in a bubble column (Hc=4.4, Dc=0.29 m) installed in two different wastewater treatment plants: a conventional activated sludge plant (CAS) and a membrane bioreactor (MBR). The column, alternatively equipped with a fine or a coarse bubble diffuser (FB, CB), was continuously fed with activated sludge extracted either from the aeration tank, the recirculation loop or the membrane reactor. With MLSS concentrations from 3.0 to 10.4 g L-1, the kkllaa coefficient was lower in activated sludge than in clean water and still reduced with an increase of the MLSS concentration. This reduction is partially attributed to the observed reduction of gas holdup (εεɢɢ), associated with an increase in the sludge apparent viscosity (µµαααααα), which leads to a reduction of the specific interfacial area (αα) due to bubble coalescence and the formation of larger bubbles. Besides, the concentration of non-ionic surfactants, exhibited a negative effect on the κκιιαα coefficient for the oxygenation tests performed under FB aeration conditions and low MLSS concentration. This impact was not observed under CB aeration conditions, which was explained by the higher renewal rates generated by coarse bubbles. Finally, the mean shear rate exerted by the bubble swarm in the column during the oxygen transfer tests was theoretically evaluated considering the operating conditions. Subsequently, empirical correlations were constructed using dimensionless numbers and express the oxygen transfer coefficient as a function of the superficial gas velocity and the apparent viscosity, considering its shear rate dependence. Finally, alpha factor is defined as a power law decreasing function of the apparent viscosity, for low loaded activated sludge systems.

Un nouveau système d’aération de surface pour le traitement des eaux usées a été étudié. Sa spécificité réside dans sa capacité à fonctionner selon deux modes : aération ou simple brassage, en modifiant uniquement le sens de rotation du système. Un pilote a permis de cibler le travail sur l’étude expérimentale du transfert de matière et de l’hydrodynamique. Les champs d'écoulement et les mesures de vitesse à l'intérieur de la cuve agitée ont été réalisés par vélocimétrie laser à effet Doppler (LDV) et par vélocimétrie par images des particules (PIV) pour le mode monophasique (brassage) et pour le mode diphasique (aération). Le transfert d'oxygène se produit à la fois dans la cuve et dans le spray au-dessus de la surface de l'eau. Il a été étudié dans les deux zones. Différentes configurations et conditions opératoires ont été testées afin de comprendre les phénomènes d’interaction : tube de guidage, hélice complémentaire RTP, vitesse de rotation, niveau de submersion des pales de la turbine. La partie expérimentale sur l’hydrodynamique et les champs d'écoulement montre que le mode de fonctionnement en pompage vers le bas (brassage) avec tube de guidage procure les meilleurs résultats en termes de mélange si on se réfère aux champs d'écoulement et à la mesure du temps de mélange. Pour le mode de fonctionnement en pompage vers le haut (aération), les résultats expérimentaux montrent que la configuration du système complet est la plus efficace si on considère le transfert d’oxygène, les vitesses moyennes, l'intensité de l'écoulement turbulent et le temps de mélange. Il est constaté que la meilleure efficacité d'aération standard est atteinte (SAEb = 2.65 kgO2kw-1h-1) lorsque le système complet est utilisé. L'efficacité d'aération standard à 20°C la plus élevée au niveau du spray d'eau est obtenue ((ESP)20 = 51,3%) avec la configuration du système complet. Plusieurs modèles sont proposés pour calculer le transfert d'oxygène dans la cuve et dans le spray, la consommation énergique et le temps de mélange. Ces relations permettent d’évaluer l’influence des différents paramètres géométriques et de fonctionnement dans des systèmes similaires à une échelle industrielle. / A new surface aeration system for water and wastewater treatment has been studied. Its uniqueness lies in its ability to operate in two modes: aeration or simply blending (mixing) by just reversing the direction of rotation. An experimental plant has enabled to focus on mass transfer performance and hydrodynamics. The flow pattern and the velocity field measurements inside the agitated tank were performed by both the Laser Doppler Velocimetry (LDV) and the Particle Image Velocimetry (PIV) techniques for the single phase (Mixing) mode and for the two phases (Aeration) mode. The oxygen mass transfer occurs both in the water bulk and in the spray above water surface and has been independently investigated. Different configurations and operational conditions were tested during the experimental part in order to interpret phenomenon effect of the draft tube and RTP propeller, rotational speed, turbine blades submergence and else on the flow field and the oxygen mass transfer in the agitated system that produced mainly by a cone shape turbine. The experimental part dealing with hydrodynamics and flow field shows that the down-pumping operation mode with the draft tube has the most convenient results in the mixing mode with respect to turbulent flow field and mixing time. Whilst for the up-pumping aeration mode the hydrodynamics experimental results show the whole system configuration is the most convenient with regarded to mean velocities, turbulent flow intensity and mixing time. For the oxygen mass transfer experimental part, it is found that the highest standard liquid bulk aeration efficiency is achieved (SAEb = 2.65 kgO2 kw-1h-1) when the whole system configuration is used. The highest standard aeration efficiency at 20°C for the water spray zone is accomplished ((Esp)20 = 51.3 %) with the whole system configuration. Several correlations models have been derived for the oxygen mass transfer in water bulk and spray zones, power consumption and mixing time, on the basis of experimental results. They can be used as tools to estimate these parameters for geometrical and dynamical similar systems at industrial scales.

L'objectif principal de ce travail de thèse concerne l'étude de l' élimination de la DCO et de la nitrification dans une nouveau lit bactérien Multi-Section ( MSB ) . Après une caractérisation de l’hydrodynamique et du transfert d’oxygène de ce lit bactérien, les expériences biologiques menées sous des conditions opératoires contrastées (fortes et faibles charges organiques eteaux usées contenant ou pas des matières particulairs) ont été menées. En parallèle, des simulations avec le logiciel Biowin® ont été réalisées. Les principaux résultats sont résumés en suivant :- La rétention de liquide statique est majoritaire par rapport à la rétention dynamique que ce soit en présence ou en absence de biofilm. Le biofilm joue le rôle d’une "éponge" permettant un maintien de l’humidité du lit même à faible débit. Les expériences de DTS ont montré que le biofilm accroit le temps de séjour du liquide et conduit à une diminution de l’épaisseur du film liquide permettant ainsi de promouvoir le transfert de l'oxygène.- Le réacteur MSB montre une élimination efficace de la DCO (> 95 % ) et de la nitrification ( > 60 % de l’azote entrant), mais une accumulation de DCO particulaire a lieu dans le filtre ce qui conduira à un colmatage à terme. La nitrification cohabite avecl’élimination de la DCO même dans la première section et pour une charge organique élevée ce qui implique une bonne capacité d’oxygénation du MSB par l’aération naturelle.- Un modèle dynamique de MSB a été utilisé implémenté sur le simulateur - BioWin , afin d'obtenir la répartition des biomasses au sein du réacteur et d'évaluer le processus limitant dans chaque section. Le modèle partiellement calibré peut aider à estimer les besoins minimum d'oxygène pour la nitrification et peut rendre compte de la compétition entre la croissance hétérotrophe et la nitrification. / The main objective of this PhD work focused on the study of the COD removal and nitrification in a new designed Multi-Section Bioreactor (MSB). Hydrodynamic characterization of the reactor, biological experiments under contrasted conditions and simulations by Biowin® software were carried out:- Firstly, it was found that static liquid retention is the predominant part both without and with the presence of biofilm. Biofilm acts like a "sponge". RTD experiments showed that biofilm can promote liquid residence time, decrease the liquid film andpromote the oxygen transfer consequently.- Secondly, the MSB operated at contrasted organic loading rate (OLRs) and nitrogen loading rate (NLRs) showed that COD can be effectively removed (removal efficiency > 95%) and nitrification (> 60% of the N removal) occurred in this biofilter.Nitrification is efficient even in the first section implying no drastic oxygen limitation though only natural aeration is occurring.- Thirdly, a TF dynamic model has been used from a simulator - BioWin, in order to get more insights on the biomass distribution in the pilot and to assess the limiting process in each section of the bioreactor. Calibration of the model can help us to estimate theminimum oxygen requirement for nitrification for each zone inside the pilot and it can well represent the competition between heterotrophic growth and nitrification.