bioréacteurs

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cultures libres, cultures fixées

La mise en œuvre des cultures bactériennes peut revêtir de très nombreuses formes. Il est classique de distinguer les procédés dits à cultures libres et les procédés dits à cultures fixées.

Dans les procédés à cultures libres, utilisés en traitement d’eaux résiduaires, on provoque le développe­ment d’une culture bactérienne sous forme de flocs dispersés au sein du liquide à traiter. Pour conserver en suspension la culture, on doit brasser le bassin.

Dans les techniques à cultures fixées, on utilise la capacité qu’ont la plupart des micro‑organismes à pro­duire des exopolymères permettant leur fixation sur des supports très divers, pour former un biofilm. Pour la clarté des tableaux et exposés ci-après on est amené à définir une classe intermédiaire, les cultures mix­tes. Contrairement aux cultures fixées strictes où le matériau support est immobile et où le liquide percole le long de ceux-ci, les cultures mixtes sont fixées sur des supports assez fins et/ou assez légers pour être maintenus en suspension dans le réacteur biologique à la manière des flocs bactériens.

Les cultures fixées, mixtes ou libres peuvent s’utiliser pour les traitements aérobies, anoxie ou anaérobie, ce que résume le tableau 2.

BioréacteursImage sécurisée
Tableau 2. Bioréacteurs

caractéristiques hydrauliques des réacteurs biologiques

caractéristiques de l’écoulement

Une autre distinction importante, surtout dans le cas des procédés à cultures libres, est celle de l’écoule­ment dans le bioréacteur. Un bioréacteur sera dit en mélange intégral si, en tous ses points, les concentra­tions (biomasse, substrat, oxygène…) et les températures sont identiques. Dans un réacteur à flux piston idéal, tout élément de fluide avec ses matières en suspension subit une translation tout du long du bassin sans mélange important avec les éléments de fluide connexes. Il est assimilé à un ouvrage présentant un rapport longueur/largeur élevé et, dans ce cas, des gradients de concentrations axiaux apparaissent.

Le temps de séjour hydraulique y est théoriquement le même pour toutes les particules alors que, dans un réacteur à mélange intégral, la distribution des temps de séjour des particules est du type gaussien.

Ces caractéristiques hydrauliques sont importantes car elles ont des conséquences sur les concentrations en substrat dans les différentes zones du réacteur et donc sur les cinétiques réactionnelles et peuvent même privilégier le développement de certaines espèces bactériennes par rapport à d’autres.

cinétiques réactionnelles

Des considérations théoriques montrent que, dès qu’une réaction est d’ordre supérieur à zéro, un flux pis­ton doit permettre, pour un volume d’ouvrage donné, d’obtenir un état d’avancement des réactions supé­rieur au mélange intégral ou, pour un même état d’avancement d’une réaction, un volume d’ouvrage plus réduit.

En fait, il n’existe pas à l’échelle industrielle de bioréacteurs fonctionnant en mélange intégral ou en flux piston parfaits. En revanche, certains réacteurs seront proches surtout d’un mélange intégral (agitation forte) et plus rarement d’un flux piston. Afin de quantifier cette tendance, il est d’usage d’utiliser un coeffi­cient de dispersion longitudinale. Une valeur zéro correspond à un flux piston parfait, tandis qu’une valeur infinie correspond à un mélange intégral parfait.

distribution des temps de séjour hydraulique

Si on appelle :
Tsh le temps de séjour théorique, donné par

Formule : bioréacteurs - temps de séjour hydraulique

avec V volume du réacteur et Q débit traversier.

Et si l’on définit le temps de séjour réel à partir de la courbe de réponse à l’injection instantanée d’un pro­duit traceur, on en déduira alors le temps moyen pondéré (tr) entre entrée et sortie :

  • si tr = tsh et si la sortie est en forme d’échelon le réacteur est très proche du piston parfait ;
  • si tr = tsh mais la sortie a une forme gaussiène classique, le réacteur est très proche du mélange intégral ;
  • si tr < tsh, c’est l’indice de volume(s) mort(s) significatif(s) (zone de mauvais brassage), ceci s’accompa­gne aussi d’une traînée (figure 2) ;
  • si tr < tsh mais avec une pointe manifeste (figure 3), c’est l’indice de court-circuit(s) qui vont amener le substrat beaucoup plus rapidement que prévu à la sortie.

Il existe des logiciels permettant d’analyser ce type de courbes et de définir (hors cas de très mauvaise hydraulique) le nombre de réacteurs intégraux qui, mis en série, simulent le mieux le bassin testé.

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Figure 2. Courbe de traçage d’un réacteur avec volumes morts
Courbe de traçage réacteur court-circuitImage sécurisée
Figure 3. Courbe de traçage d’un réacteur avec court-circuit