Conception de réacteurs de laboratoire et développement d’approches numériques pour l’optimisation du procédé de méthanisation en voie solide et discontinu : plans d’expériences mixtes et bootstrapping, modélisation couplée hydrodynamique et biochimique - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Laboratory reactors design and development of numerical approaches for the optimization of solid and discontinuous anaerobic digestion process : mixed and experimental design, bootstrapping, hydrodynamic and biochemical coupled modelling

Conception de réacteurs de laboratoire et développement d’approches numériques pour l’optimisation du procédé de méthanisation en voie solide et discontinu : plans d’expériences mixtes et bootstrapping, modélisation couplée hydrodynamique et biochimique

Résumé

This work aims to provide innovative solutions and perspectives to the current research work on solid state anaerobic digestion, using digital tools. The deliverables of this study are organized into a “digital toolbox” for engineers and researchers. Like the worker’s toolbox, this solution consists of several sections representing the three main digital applications for anaerobic digestion: optimization, hydrodynamics and modeling. Each part is linked with others to build a systemic approach identifying exchanges between them in order to form a complete solution exceeding the sum of its parts. This work was carried out around two substrates: straw cattle manure and damp grass. It was however designed to be transposed to any substrates. The first step in this work was the reactors and gas counters conception to perform each of these steps at lower cost. This equipment was computer-aided designed after the characteristics were determined by calculation. The second step was to determine a different approach from experimental designs to increase the optimization efficiency using this tool. This method allows tooptimize both the composition of each substrate and the different operating parameters values in a single experimental design combining factor design and mix design. The bootstrapping tool is also used to minimize the number of experiments while maintaining the results significance. In this study, the two substrates composition and two operating parameters were studied to maximize methane yield. The two substrates were cattle manure and damp grass, and the two studied parameters were immersion of the substrates and recirculation frequency of the liquid phase. The percolation is also a study subject: what is the purpose of optimizing the operating parameters if the liquid phase cannot percolate within the solid part? Therefore, the third step of this work is to study the liquid phase flow within the solid part under codigestion conditions according to its composition and stratification. This step allows to provide the flow characteristic parameter to propose a new stratification approach and to highlight the codigestion effect on the microporosity and macroporosity evolution. Finally, the microporosity and macroporosity evolution impact on biology was modeled in a single substrate model to provide an understanding tool and a first work step on a prediction tool integrating these phenomena. The whole study allows to optimize the operating parameters, to ensure the functional aspect of an experiment and bring forward an understanding model of porosities evolution. It is not a definitive solution but a solution to substantiate, just as the toolbox is continuously renewed in innovative and more efficient tools.
Ce travail de thèse a pour ambition d’apporter des solutions et des perspectives innovantes aux travaux de recherche actuels sur la méthanisation en voie solide, en s’appuyant sur les outils numériques. Les livrables de cette thèse s’organisent en « boîte à outils numériques » pour l’ingénieur, le chercheur et l’exploitant d’installation. Tout comme la boîte à outils de l’ouvrier, ils se structurent en plusieurs parties représentant les trois principales applications du numérique pour la méthanisation : l’optimisation, la caractérisation hydrodynamique et la modélisation. Le lien entre ces parties s’articule naturellement autour d’une approche systémique identifiant les échanges entre chacune de ces parties afin d’en former une solution complète dépassant leur somme. Ce travail a été réalisé autour de deux substrats : le fumier bovin pailleux et la tonte d’herbe, mais a été réalisé dans un esprit de transposition à tout autre substrat. La première étape de ce travail a été la conception des réacteurs et compteurs de gaz permettant de réaliser chacune des parties ultérieures à moindre coût. Ce matériel a été conçu par ordinateur après avoir déterminé les caractéristiques nécessaires par le calcul. La seconde étape a été d’utiliser une approche différente des plans d’expériences afin d’accroître l’efficacité des optimisations réalisées à l’aide de cet outil. Cette approche permet d’optimiser à la fois la composition de chaque substrat et la valeur de différents paramètres opératoires en un seul plan d’expériences combinant plans factoriels et plans de mélanges. L’outil du Bootstrapping a été également utilisé afin de minimiser les expériences réalisées en conservant la même significativité des résultats obtenus. Dans cette étude, la composition de deux substrats et deux paramètres opératoires ont été étudiés pour maximiser la production de méthane : la composition en fumier bovin et en tonte d’herbe, l’immersion du massif solide et la fréquence de recirculation de la phase liquide. La problématique de percolation est également un sujet d’étude : à quoi cela sert-il d’optimiser les paramètres opératoires si la phase liquide ne peut percoler au sein du massif solide ? La troisième étape de ce travail réside dans l’étude de l’écoulement de la phase liquide au sein d’un massif en conditions de codigestion en fonction de sa composition et de sa stratification. Cette étape permet de fournir des paramètres caractéristiques de l’écoulement, de proposer une nouvelle approche de la stratification et de mettre en évidence l’effet de la codigestion sur l’évolution des microporosités et macroporosités. Enfin, l’impact de l’évolution des microporosités et macroporosités sur la biologie a été injecté dans un modèle à un seul substrat afin de fournir un outil de compréhension du phénomène et un premier pas vers la prédiction du phénomène. L’ensemble de cette démarche permet donc d’optimiser les paramètres opératoires, de s’assurer de l’aspect fonctionnel d’une expérience et de proposer un modèle de compréhension globalisant les connaissances. Ce n’est pas une solution définitive mais une solution à étayer, tout comme la boîte à outils se renouvelle en outils toujours plus performants.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03420307 , version 1 (09-11-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03420307 , version 1

Citer

Arnaud Coutu. Conception de réacteurs de laboratoire et développement d’approches numériques pour l’optimisation du procédé de méthanisation en voie solide et discontinu : plans d’expériences mixtes et bootstrapping, modélisation couplée hydrodynamique et biochimique. Génie des procédés. Université de Technologie de Compiègne, 2021. Français. ⟨NNT : 2021COMP2616⟩. ⟨tel-03420307⟩
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