Résultats du dimensionnement

 

Résultats du dimensionnement

 


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-1- Bioréacteur à membrane

-2- Nanofiltration

-3- TiO2/UV

 

Note de calcul téléchargeable (cliquer sur le lien puis enregistrer)

 

-1- Traitement primaire : BRM

    a) Réacteur

Dans le cadre de notre étude, après discussion avec le binôme 2, nous avons pris en compte un débit en sortie du service étudié de 3 m3/j.

Grâce aux valeurs trouvées dans la littérature et à nos discussions avec Mme Albasi du LGC, nous avons fixé une concentration en sortie d'hôpital de 660 mgDCO/L et un taux d'abattement dans notre bioréacteur de 80% pour la cyclophosphamide. Nous considèrerons que l'abattement atteint pour l'ifosfamide est le même, les deux molécules étant très similaires ; de même, nous prendrons comme hypothèse simplificatrice la dégradation des métabolites de nos molécules au sein du procédé. Quant au 5-FU, il ressort de nos recherches que celui-ci est totalement biodégradable dans un tel système : nous considèrerons donc que le 5-FU est totalement éliminé dans notre traitement primaire et que nous ne le retrouverons pas par la suite.

De même, nos recherches nous ont conduits à fixer la constante de décès de la biomasse dans ces conditions à kd = 0,10 j-1 et le rendement de conversion à Yh = 0,45 gMVS/gDCO. Cela donne un rendement de production de boues Yobs = 0,09 gMVS/gDCO.

Pour la concentration en biomasse et l'âge de boues, nous avons considéré d'abord des valeurs que nous considérions assez analogues à celles utilisées en général (âge de boues élevé de 40 jours et concentration en biomasse très élevée de 20 mg/L), puis nous avons étudié l'influence de ces paramètres sur le BRM :

- il en ressort que l'âge de boues n'a pas une très grande influence sur la plupart des paramètres du BRM, l'écart entre un âge de 20 et de 50 jours étant de moins de 20% pour le volume, de moins de 25% pour le temps de séjour et d'environ 13% pour la quantité d'O2 nécessaire. Par contre, la purge sera d'autant plus importante que l'âge de boues sera faible ; on observe un débit de purge deux fois plus grand pour un âge de boues de 20 jours par rapport à un âge de boues de 50 jours, même si celui-ci reste petit (de l'ordre de la dizaine de L/j).

- la concentration en biomasse X a, comme on pouvait s'y attendre, une grande influence sur tous les paramètres, sauf sur la demande en O2 qui ne change pas - celle-ci étant compensée par la variation des autres grandeurs. On observe ainsi, pour une variation de X de 5 à 30 gMES/L : une variation de près de 500% du volume et du temps de séjour, et de plus de 500% pour le débit de purge.

 

Voici ci-dessous à titre d'exemple les résultats obtenus pour un âge de boues de 40 jours et une concentration plus raisonnable X = 12 gMES/L (correspondant aux valeurs communément utilisées pour un BRM, par exemple sur le procédé Biosep de Veolia) :

Résultats dimensionnement BRM

Volume du réacteur 600 L
Temps de séjour 4 h 45 min
Débit de purge 14,85 L / j
Demande en O2 1,38 kg O2 / j
Débit d'air à fournir 5 m3 / j

Finalement, considérant que nous avons une certaine marge sur le temps de séjour et cherchant à minimiser la concentration X tout en veillant à ne pas avoir un volume ou un débit de purge trop importants, nous retenons les paramètres de fonctionnement suivants :

X = 8 gMES/L, ce qui représente une concentration raisonnable pour la biomasse, et un âge de boues inchangé de 40 jours. Ainsi nous obtenons les résultats finaux suivants :

Valeurs retenues pour dimensionnement BRM

Volume du réacteur 890 L
Temps de séjour 7 h 08 min
Débit de purge 22,3 L / j
Demande en O2 1,38 kg O2 / j
Débit d'air à fournir 5 m3 / j

Ce choix final nous donne un temps de séjour plus grand, ce qui nous paraît plus correspondre à la réalité d'une telle installation. De plus, le volume toujours inférieur à 1 m3 est un avantage dans l'optique d'une installation compacte à l'hôpital.

Grâce à Mme Albasi, nous avons pu comparer notre calcul au prototype qui sera mis en route sous peu au CHU Purpan ; celui-ci fait 1m3 et le temps de séjour sera ajustable entre 24 et 48h. Mais la différence notable avec notre procédé est que l'alimentation de ce prototype sera prélevée sur les effluents en sortie du service, celui-ci n'étant pas implanté en ligne. La problématique du temps de séjour n'est donc pas abordée de la même façon que dans notre cas d'un réacteur en continu directement situé à la sortie du service.

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    b) Module membranaire

Le type de membrane que nous avons retenu correspond à la Polymem MF 100L dont les caractéristiques sont données ici.

Il nous faut d'abord vérifier que celle-ci s'insère bien dans notre réacteur, calculé ci-avant. Si l'on prend en première approximation un réacteur cubique, on obtient une longueur de côté de plus de 95 cm. La membrane étant de dimension 55*7,5 cm², on constate qu'elle pourra bien être immergée dans le réacteur.

Connaissant les caractéristiques de la membrane et les paramètres que nous avons fixés pour la filtration (BRM en fonctionnement) et le rétrolavage régulier, que l'on peut retrouver ici, nous calculons les débits brut et net par module ; ce dernier nous donne le nombre de modules nécessaire par comparaison avec le débit à traiter (Q = 3 m3/j).

Dimensionnement module membranaire

Débit brut par module 297 L/h
Débit net par module 278 L/h soit 6,7 m3/j
Nombre de modules nécessaire 1

On se rend compte ici que le module membranaire peut encaisser plus du double de notre débit, ce qui représente une marge intéressante, en cas d'extension du service par exemple ou bien de situation exceptionnelle.

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-2 - Traitement secondaire : NF

Le type de membrane choisi pour cette étape correspond à la Polymem NE 2540-70 dont les caractéristiques sont données ici.

En procédant de la même façon que pour la membrane du bioréacteur (voir ci-dessus), et disposant des données sur la membrane et des paramètres de fonctionnement fixés (ici), nous obtenons les résultats suivants :

Dimensionnement nanofiltration

Débit brut par module 96 L/h
Débit net par module 95 L/h soit 2,3 m3/j
Nombre de modules nécessaire 2

Il s'avère donc qu'il faudra mettre en place 2 modules membranaires de NF en parallèle pour cette étape, afin de traiter tout le débit. Chaque module fonctionnera à environ 65% de sa capacité maximale, en terme de débit, ce qui laisse une petite marge de sécurité.

De plus, nous considèrerons que ce dispositif de nanofiltration nous permet d'atteindre un abattement de 75%, sachant que nous avons trouvé des valeurs dans la littérature entre 60 et 90% pour la cyclophosphamide et d'autres molécules médicamenteuses.

Afin de compléter l'étude, nous avons décidé d'étudier le réseau hydraulique de la nanofiltration afin de choisir les pompes qui seront utilisées pour faire circuler le fluide dans le procédé (voir Figure 1)

Figure 1 : Schéma du procédé de nanofiltration

 

Pour un débit d'alimentation de 2,98 m3/j, la pompe de gavage de 3400 Watt fournira une hauteur manométrique de 91 mètres afin de lutter contre la perte de charge des tuyaux et amènera le liquide à une pression de 10 bars (pression de filtration du module de nanofiltration).

Pour un débit de recirculation de 4 m3/h (débit préconisé par M. Pontalier), une pompe centrifuge de 62 W sera utilisée.

Un lavage chimique sera à prévoir une fois par mois avec une base (de la soude, classiquement) afin d'éliminer les dépôts organiques à la surface du module membranaire.

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-3 - Traitement tertiaire : photocatalyse UV/TiO2

Nous avons calculé que le débit parvenant à cette étape après la NF était de 2,95 m3/j, soit quasiment notre débit originel en entrée de filière de traitement.

Avec la constante de dégradation et le taux d'abattement fixés (ici), nous avons calculé le réacteur piston correspondant : nous obtenons un volume de 613 L et un temps de séjour de 5h.

Les calculs de configuration suivants sont menés en tenant compte de ces grandeurs, qui représentent pour nous des exigences de traitement.

 

    a) Cas 1 : réacteurs tubulaires en parallèle

On sait, grâce à nos recherches et aux discussions que nous avons pu avoir avec Mme Oliveros des IMRCP, que la longueur d'irradiation d'une lampe UV telle que la nôtre n'excède pas 5 cm. Cela limite donc la taille de notre photo-réacteur, et plus particulièrement son diamètre.

Un premier calcul en fixant une longueur raisonnable pour la lampe UV de 1 m - ce qui est déjà beaucoup - nous induit un réacteur de presque 90 cm de diamètre. Cela n'est pas acceptable, le volume d'effluent "dans le noir" sera beaucoup trop grand devant celui effectivement irradié ; il faut donc diviser notre réacteur tubulaire en plusieurs plus petits.

 

Plusieurs cas ont été envisagés, en faisant varier le nombre de réacteurs à installer en parallèle ainsi que la longueur de ceux-ci : il en ressort que nous ne pouvons raisonnablement pas envisager une lampe trop courte (c.à.d en dessous du mètre) et un nombre de réacteurs inférieur à 10.

Différents cas envisagés

 
Longueur lampe (m) 1 1 1,5 1,5 2 3
Nombre de réacteurs 20 25 15 20 15 10
Diamètre nécessaire (cm) 20 18 19 16 16 16

Le gain obtenu en augmentant le nombre de lampes (donc le nombre de réacteurs) pour une longueur de 1 m ne nous paraît pas assez intéressant. Selon le diamètre de la lampe, nous préconisons plutôt la mise en place de 15 réacteurs en parallèle avec une lampe de longueur 1,5 m ou 2 m. L'utilisation de lampes de 3 m présente trop de problèmes à nos yeux (fragilité, encombrement, durée de vie...) pour descendre à 10 réacteurs.

Notons que le temps de contact nécessaire entraîne un écoulement particulièrement lent, et même quasi statique ; cela n'est pas favorable du tout, car un tel procédé réclame de l'agitation et par conséquent, étant donné la taille des réacteurs et l'usinage, un écoulement turbulent au sein de celui-ci. Pour garantir la turbulence, il faut alors faire tourner le fluide assez rapidement, fonctionnement qui se rapproche du batch, et donc du cas 2 (ci-dessous) dans le principe.

 

Toutefois, on notera bien ici qu'il n'y a a priori pas de configuration idéale, comme nous avons pu le voir et en discuter avec Mme Andriantsiferana. Toute décision pour "industrialiser" le procédé décrit ici demandera nécessairement des essais sur pilote préalables, ainsi qu'une validation correcte du scale-up.

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    b) Cas 2 : réacteur agité contenant plusieurs lampes

Le temps de contact nécessaire pour attendre cette limite est encore de 5 heures. Le volume traité en raison d'un débit de sortie de nanofiltration est de 613 L.

On choisit des lampes à mercure  de 1 m de longueur et de diamètre 6 cm (avec le système de refroidissement). La suspension à 1 g/L de dioxyde de titane laisse passer les radiations jusqu'à 5 cm à partir de l'enveloppe en contact avec le liquide.

En estimant qu'à un temps t, 60% de l'effluent est irradié soit 368 L, on estime alors le nombre de lampes à 22.

Afin de conserver la suspension de TiO2 pour plusieurs utilisations, il est nécessaire de placer une séparation en sortie de réacteur, ici au minimum une ultrafiltration ; cela implique donc un coût supplémentaire non négligeable. L'utilisation de TiO2 supporté n'est sans doute pas une mauvaise idée dans cette configuration-ci.

 

En ce qui concerne le type de lampe utilisé, nous nous concentrerions, plutôt que sur des lampes Hg moyenne pression émettant autour de 254 nm, sur des lampes UV émettant à 365 nm et d'une puissance de 24 W, telles que celles utilisées par Mme Andriantsiferana. Leur prix raisonnable (40€ pour une lampe de 30 cm avec son support - donc on peut subodorer un prix encore largement acceptable pour des lampes 5 fois plus grandes si elles existent) et leur longue durée de vie (15 000 heures, soit plus d'un an et demi) leur confèrent un bon rapport qualité/prix et une bonne efficacité pour notre cas d'étude.

Pour ce choix, il faut bien sûr regarder la performance mais aussi le côté "grande échelle" qui impose le choix le plus économique possible. Or, vu le nombre de lampes a priori nécessaires, mieux vaut viser des lampes avec une performance correcte émettant plus proche du visible.

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    c) Choix technologique

Au regard de nos recherches et des configurations variées envisagées, nous dirigerions plutôt notre choix vers la mise en place de réacteurs tubulaires en fonctionnement discontinu (batch), avec du TiO2 supporté. Comme vu ci-avant, il faudrait alors trouver le compromis optimal entre longueur de lampe et nombre de réacteurs ; celui-ci nous semble être autour de 15 réacteurs pour des lampes d'au moins 1,5 m. Pour ce qui est du support, plusieurs sont à tester pour validation, cela est d'ailleurs encore en cours aujourd'hui, comme nous avons pu le voir au LGC.

 


Note de calcul téléchargeable (cliquer sur le lien puis enregistrer)

 

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