But du cours
Ce cours a pour objectif de contribuer à former les étudiants à la conception, au dimensionnement, à la modélisation et à l’exploitation des réacteurs chimiques et biologiques, avec une application particulière aux procédés agro-industriels. Il vise à assurer une compréhension intégrée des phénomènes à différentes échelles, depuis l’échelle microscopique (cinétique chimique, cinétique enzymatique, croissance microbienne) jusqu’à leur mise en œuvre à l’échelle industrielle (réacteurs, bioréacteurs, procédés de fermentation). Le cours intègre les contraintes biologiques (micro-organismes, enzymes, besoins cellulaires), physico-chimiques (transferts de matière et de chaleur, hydrodynamique) et industrielles (productivité, consommation énergétique, scale-up). Une attention particulière est portée aux fermentations industrielles (alcoolique, lactique, acétique, citrique…) ainsi qu’aux conditions opératoires influençant leur performance (température, pH, aération, agitation).
Acquis d'apprentissage visés
À l’issue de cet enseignement, l’étudiant sera capable d’établir les bilans de matière et d’énergie pour des systèmes réactionnels chimiques et biologiques, d’analyser la cinétique des procédés incluant la croissance microbienne (phases de croissance, loi de Monod), la cinétique enzymatique (modèle de Michaelis-Menten) ainsi que la cinétique des réactions chimiques, et de modéliser la consommation de substrat ainsi que la formation de produits et de biomasse. Il saura également identifier et choisir un type de réacteur adapté (batch, fed-batch, continu, CSTR, Piston), dimensionner un réacteur (volume, temps de séjour, conversion) et analyser les performances des bioréacteurs en termes de rendement (biomasse, substrat, énergie), de productivité et de transfert d’oxygène (kLa). L’étudiant sera en mesure d’étudier les phénomènes de transfert (transfert de matière gaz-liquide, liquide-solide, transfert thermique), de comprendre l’hydrodynamique des réacteurs (agitation, mélange, temps de séjour), de simuler et d’optimiser un procédé, ainsi que de transposer un procédé du laboratoire à l’échelle industrielle (scale-up).
Prérequis
- Complément Physique (Thermodynamique et Mécaniques des fluides). - Phénomènes de transfert : Notions de base sur les transferts de masse et de chaleur.
- Biochimie, Microbiologie générale et Microbiologie alimenatire (Métabolisme, Croissance bactérienne, Structures enzymatiques).
- Mathématiques : Équations différentielles simples et calcul intégral
Programme
Le programme aborde les fondements essentiels du génie des procédés en intégrant la cinétique chimique, la thermodynamique appliquée ainsi que les bases de microbiologie, tout en prenant en compte les besoins cellulaires en nutriments, oxygène et énergie. Il traite ensuite des fermentations et des bioprocédés à travers la définition des fermentations industrielles (alcoolique, lactique, acétique, citrique), les différents types de procédés ainsi que la culture des micro-organismes en fermenteur (bioréacteur), en incluant l’utilisation des biocapteurs pour le suivi et le contrôle des systèmes biologiques. Le cours développe également la cinétique des procédés biologiques, incluant la croissance microbienne (phases de croissance), le modèle de Monod, ainsi que la cinétique enzymatique avec les concepts fondamentaux, le modèle de Michaelis-Menten. Les différents types de réacteurs et bioréacteurs (batch, fed-batch, continu, CSTR, Piston) sont étudiés en lien avec les paramètres opératoires tels que la température, le pH, l’aération et l’agitation. Le programme inclut également l’étude des phénomènes de transfert et de l’hydrodynamique (transfert d’oxygène kLa, mélange, agitation, temps de séjour), ainsi que les bilans de matière et d’énergie et rendements en biomasse. Il aborde en outre la modélisation et la simulation des procédés à travers les équations de bilan, puis les principes de conception (dimensionnement des réacteurs, consommation d’énergie, transferts thermique et de matière, étude multi-échelle microscopique et macroscopique). Enfin, il traite du passage à l’échelle industrielle (scale-up) en agroalimentaire.
Bibliographie
Doran, P.M. (2012). Bioprocess Engineering Principles. Academic Press. Froment, G.F., Bischoff, K.B. & De Wilde, J. (2010). Chemical Reactor Analysis and Design. Wiley. Levenspiel, O. (1999). Chemical Reaction Engineering (3rd ed.). John Wiley & Sons. Nauman, E.B. (2008). Chemical Reactor Design, Optimization, and Scaleup. Wiley-AIChE. Villadsen, J., Nielsen, J. & Lidén, G. (2011). Bioreaction Engineering Principles. Springer. Villermaux, J. (1993). Génie de la réaction chimique. Technique et Documentation