Cinétique de l'oxydation du fer ferreux en biofilm

Influence de paramètres physico-chimique en culture libre submergee

On mentionne dans la litterature [4,5,6,7] que la croissance est possible entre les limites de pH 1 et 6. II semble cependant possible, d’abaisser la limite inferieure par une acclimatation de la bacterie [4]. Par contre, le pH intracellulaire est voisin de la neutralite [5]. Dans sa revue de la litterature, Torma [6] mentionne que cette bacterie peut tolerer des concentrations extr~mement elevees en metaux lourds, par exemples: 120 g/1 de zinc, 72 g/1 de nickel, 30 g/1 de cobalt, 12 g/1 de U30a, 55 g/1 de cuivre et 160 g/1 de fer ferreux. Berthelin [3] signale que ferrooxidans montre une très bonne .tolerance au zinc, au nickel, au cuivre, au cobalt, au manganèse et a l’aluminium; mais est plus sensible a !’uranium, a !’arsenic, au selenium et au tellurium. Cependant, le mercure et !’argent lui sont beaucoup plus toxiques. Nikolov et Karamanev [8] ant determiner la temperature et le pH optimaux pour une souche bulgare <G 15>, cultivee en culture libre dans un reacteur parfaitement melange. La temperature optimale se situait entre 29 et 31°C et le pH optimal entre 1,8 et 2,0. Pour une temperature superieure ~ 35°C, le taux d’oxydation diminuait rapidement, pour devenir presque nul ~ 45°C. Ce changement etait reversible jusqu’~ 45ac et irreversible pour une temperature superieure. L’activite bacterienne diminuait aussi rapidement pour un pH inferieur ~1,8. Ils ont aussi determiner que le fer ferrique est un inhibiteur lorsque sa concentration est superieure ~ 6 Kg/m3 • MacDonald et Clark [15J, ~ partir d’experiences en cuvee avec la souche ATCC 13728, ont trouve que la temperature optimale etait fonction du pH. L’optimum variait de 29°C ~pH 1,5 jusqu’~ 33°C ~ pH 3,5. Le taux de croissance maximum etait obtenu pour T=33°C et pH=2,5. La température maximale compatible avec la croissance a aussi été trouvée dépendente du pH. La limite etait 45°C entre pH 2,5 et 3,5; elle n’était que 35°C a pH 1,5. Par ailleurs, ils ont détermine que le taux spécifique de croissance était indépendant de la concentration en dioxyde de carbone, pour une concentration alimentée supérieure ~ 0,01% v/v <0,033% dans 1 ‘air>. On rapporte dans la litterature [34], que la croissance de il ferrooxidans oxydant du fer ferreux ~ pH 1,6, n’est ~ peu pres pas affectee par la concentration en C02 sur une plage de o,oo1 a a’Y..

Modèlès cinétiques de croissance at d’oxydation du fer ferreux en culture libre submergée

On retrouve dans la litterature, plusieurs travaux sur 1 ‘oxydation du fer ferreux par ~ ferrooxidans, en culture submergée, ou le modèle de Monad est utilise [6,7,8,14,15,16]. Ce modèle a ete utilise pour decrire le taux specifique de croissance <~>, aussi bien pour des experiences en cuvee qu’en continue. Ces auteurs s’accordent pour dire que le taux d’oxydation du fer ferreux est directement proportionel au taux de croissance bact~rien. Cette hypothèse sera verifi~e dans ce travail. Lacey et Lawson [16J, ont déterminé Ies deux parametres dumodele de Monod, pour l ‘oxydation du sulfate ferreux en phase Iiquide au cours d’expériences en cuvee. L’oxygene, Ie dioxide de carbone ainsi que les autres nutriments étaient fournis en exces.

Bioracteur de type Airlift

On a utilise, pour l’etude cinetique en culture libre submergee, un bioreacteur de type « airlift » [22J, d’un volume nomimal de 4 litres (fig.2>. Ce reacteur est principalement forme de deux tubes de verre cylindriques concentriques. On introduit un courant gazeux a la base du tube interne avec unepompe a air. Ce courant, en plus d »assurer l’oxygenation de la solution a traiter, entraine par siphonage le liquide de l’espace annulaire et provoque ainsi une recirculation interne continue entre la zone centrale et l’annulus. Le tube interne est maintenu au centre du tube externe a l’aide de fils d’acier inoxydable 316, a une profondeur d »environ 10 em. Le tube externe est ceint par un tube de plexiglass, dans lequel circule de 1 ‘eau thermostatee.

Concentrations en fer ferrique et en fer total

La determination du fer ferrique et du fer total (ferreux + ferrique) était éffectuée a partir d’un meme échantillon par une methode colorimetrique. Un aliquote de 0,4 ml était prélevée du bioreacteur a l’aide d’une pipette automatique. On ajoutait 5 ml d’une solution d’acide sulfosalicylique <100 g/1), qui formait un complexe de couleur violet avec le fer ferrique et 100 ml d’eau distillée. L’absorbance était mesurée au spectrophotometre (Beckman, modele DB) a 455 nm. Pour déterminer le fer total, on ajoutait a la solution précédente 5 ml d’hydroxide d’ammonium concentre, un complexe jaunatre était alors forme avec le fer ferrique et ferreux. L’absorbance etait mesuree a 499 nm. Par des mesures répétées, on a évalue la précision de cette technique a± o,o5 g/1. La courbe de calibration a été réalisée avec des solutions de fer ferrique a 1,0, 2,5 et 5,0 g/1. Une récalibration était éffectuée lorsque la somme des concentrations expérimentales en fer ferreux et ferrique était différente a plus de 5ml. de la concentration en fer total. Le titrage du fer ferreux servait surtout a vérifier si le bilan sur le fer bouclait. En effet, les deux mesures obtenues avec le spectrophotometre étaient suffisantes pour déterminer le taux d’oxydation du fer ferreux. La concentration en fer ferreux a !’entree est egale ala concentration en fer total dans le bioreacteur, puisque l’alimentation ne contient pas de fer ferrique.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1: REVUE DE LA LITTERATURE
1.1. Description du microorganisme
1.1.1. Morphologie
1.1.2. Physiologie
1.2. Facteurs influencant l’activite bacterienne
1.2.1. Influence de parametres physico-chimiques en culture libre submergee
1.2.2. Influence de parametres physico-chimiques en culture fixe (biofilm)
1.3. Modeles cinetiques
1.3.1. Modeles cinetiques de croissance et d’oxydation du fer ferreux en culture libre submergee
1.3.2. Modele cinetique d’oxydation du fer ferreux en culture fixe
1.4. Interet de l’etude
CHAPITRE 2: METHODE EXPERIMENTALE
2.1. Description des bioreacteurs
2.1.1. Bioreacteur de type airlift
2.1.2. Reacteur a biofilm a fluidisation inversee
2.2. Composition de l’alimentation
2.3. Comparaison culture fixe versus culture libre
2.4. Procedures analytiques
2.4.1. Mesures effectuees
2.4.1.1. Culture libre
2.4.1.2. Culture fixe
2.4.2. Debits
2.4.3. Temperature
2.4.4. pH
2.4.5. Concentration en fer ferreux
2.4.6. Concentrations en fer ferrique et en fer total
2.4.7. Concentration en oxygene dissous
2.4.8. Concentration en biomasse libre
2.4.9. Epaisseur du biofilm
2.4.10.Expansion du lit fluidise inverse
2.5. Souches etudiees
CHAPITRE 3: CINETIQUE DE CROISSANCE ET D’OXYDATION DU FER FERREUX EN CULTURE LIBRE SUBMERGEE
3.1. Equations de base en culture libre
3.2. Modele cinetique souche ATCC 23270
3.2.1. Evaluation du coefficient de rendement en biomasse
3.2.2. Modeles pour le taux specifique de croissance et pour le taux specifique d’utilisation du substrat
3.3. Cinetique souche ATCC 19859
3.4. Cinetique souche G 15
3.5. Tableau comparatif des parametres biocinetiques
CHAPITRE 4: COMPORTEMENT DES RBFI EN CULTURE FIXEE
4.1. Performances des RBFI de 4 litres
4.1.1. Donnees physiques sur les experiences
4.1.2. Croissance du biofilm
4.1.3. Taux d’utilisation du substrat
4.1.4. Taux specifique d’utilisation du substrat
4.2. Stabilite des RBFI de 4 litres
4.3. Mecanique du biofilm
4.3.1. Performances des erodeurs
4.3.2. Modelisation du profil d’epaisseur du biofilm avant la recirculation des bioparticules
CHAPITRE 5: CINETIQUE DE L’OXYDATION DU FER FERREUX EN BIOFILM
5.1. Objectifs
5.2. Modele de Michaelis-Menten
5.3. Cinetique d’ordre zero par rapport au fer ferreux
5.4. Modele avec reaction et diffusion en parallele
5.4.1. Equation de vitesse
5.4.2. Equation differentielle
5.5. Reacteur a recirculation
5.5.1. Caracteristiques du reacteur
5.5.2. Identification des parametres de l’equation de vitesse
5.5.3. Identification de la diffusivite effective de l’oxygene
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
REFERENCES
ANNEXE A
ANNEXE B
ANNEXE C
ANNEXE D
ANNEXE E
ANNEXE F