Le démonstrateur : MELiSSA Pilot Plant

Le MELiSSA Pilot Plant est localisé dans le département de Génie Chimique à l’Universitat Autónoma de Barcelona en Espagne.

I.3.3.1 Présentation

Le MELiSSA Pilot Plant est une plateforme de test à l’échelle pilote de la boucle MELiSSA occupant une surface totale de 214 m². Construite en 2005, elle dispose de chacun des réacteurs de la boucle MELiSSA. L’objectif du MPP est de tester chacun des compartiments et de vérifier leur efficacité et fonctionnement ; à court terme, chaque réacteur est testé séparément. A long terme les réacteurs seront raccordés un à un, cette étape doit permettre de vérifier que le couplage des compartiments est possible et fonctionnel. Le MPP est

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dimensionné pour un homme : en fonctionnement les réacteurs doivent subvenir aux besoins vitaux d’un homme.

I.3.3.2 Organisation et plan du MPP

Les réacteurs pilotes des compartiments MELiSSA sont répartis en trois salles, Figure I-16.

Figure I-16: Plan du MELiSSA Pilot Plant et localisation des différents réacteurs représentatifs de chacun des compartiments. 9A : Sas de préparation pour accéder à la salle axénique 9E; 9B : Sas de préparation et d’accès à la salle 9C ; 9C : réacteurs C1 et C2 et unité de préparation des déchets ; 9D : C4b (plantes supérieures) et C5 fonctionnant avec des rats : 9E: salle axénique avec C3 et C4a ; 9F/G/H : salles de supervision et contrôle des installations ; 9K : pièce d’analyse contenant un PSM et divers équipements pour le traitement des prélèvements et échantillons.

Les réacteurs axéniques à savoir le C3 et le C4a sont localisés dans la même salle où l’entrée est contrôlée et ne se fait qu’avec des équipements de protection. Cette salle dispose d’un sas de transfert vers la salle d’analyse (9K). Les réacteurs C1 et C2 sont localisés dans la même pièce que l’unité de préparation des déchets. Le C4b et le C5 sont situés dans une autre pièce étant donné le volume de ces deux réacteurs. Les compartiments ont été, à ce jour, tous étudiés séparément.

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I.3.3.3 Les réacteurs pilotes des compartiments

Le compartiment 1 – C1

Le compartiment 1 occupe une salle de 21.3 m² avec le Compartiment 2. Le C1 est un réacteur anaérobie de 100 L fonctionnant à 55 °C et est accompagné de deux unités : un tank d’entrée (60 L ; 4°C) et un tank de sortie (60 L ; 2°C) situé après une membrane de filtration, (Figure I-17).

Figure I-17: Schéma du réacteur du compartiment 1, de ses deux unités et du module de filtration.

Ce compartiment fonctionne avec un temps de séjour TR=10 j. Il assure en partie ou en totalité l’hydrolyse des différents composés composant son entrée : protéines : 40 %, lipides : 60 %, sucre : 80 %, fibres : 15 % et urée : 100 %. La quantité de fèces produite par un homme est estimée à 30 g matière organique/j dont la composition est répartie de la manière suivante : protéines : 10 %, lipides : 20 %, sucres : 10 %, fibres : 60 %. Le milieu artificiel du C1 a une composition similaire aux déchets produits par un homme en une journée, (Tableau I-10) :

Tableau I-10: Composition du milieu artificiel du compartiment 1 simulant les déchets produits par un homme.

Acétate 0.77 g/L Iso-butyrate 0.1 g/L Butyrate 0.15 g/L Iso-valérate 0.15 g/L Valérate 0.17 g/L (NH4)2SO4 1.82 g/L Tank entrée Réacteur C1 Tank sortie / stockage Unité de filtration

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Propionate 0.27 g/L

Le compartiment 2 – C2

Le réacteur du C2 est photohétérotrophe et mésophile, il fonctionne à 30°C et est colonisé par Rhodospirillum rubrum. D’un volume utile de 13.2 L, il est connecté sur le réservoir de stockage des effluents en sortie du C1. Il fonctionne avec un TR=24 h et doit assurer la dégradation des VFAs produits en C1 dont la concentration s’élève à 57 gVFA/j.

Figure I-18: Représentation schématique du compartiment 2 au MPP. Le compartiment 3 – C3

Le C3 est représenté par un réacteur à lit fixe en forme de cylindre. Ce réacteur sera décrit en détail dans la partie I.3.5.

Le compartiment 4 – C4

Le compartiment C4a est un photobioréacteur de 77 L fonctionnant avec un temps de séjour TR=195 h, Figure I-19.

45 Figure I-19: Représentation schématique (droite) et photo (gauche) du réacteur du compartiment C4a.

Dans ce réacteur, Arthrospira platensis est cultivée pour assurer la production d’oxygène et l’élimination du nitrate dans la boucle dont la concentration en sortie de C3 s’élève à 4.20 gN/j. Riche en protéines et nutriments, cette cyanobactérie est un excellent complément alimentaire.

Le compartiment C4b est une chambre de culture hermétique. Elle dispose de deux unités de culture de 5 m² chacune, Figure I-20.

Figure I-20: Représentation du compartiment plantes supérieures du MELiSSA Pilot Plant.

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Un système d’éclairage, un contrôle de l’atmosphère et de l’eau apportée permet d’optimiser au maximum la croissance des plantes sélectionnées. Le compartiment C4b est la principale unité apportant l’oxygène pour l’équipage. L’oxygène produit par le C4a sert également au C3, compartiment oxydatif qui nécessite de l’oxygène. Il a pour objectif de produire 140 g de plantes/j et doit participer à la production d’1 gO2/j nécessaire à la survie d’un homme. Plusieurs végétaux ont été étudiés pour la culture dans MELiSSA : laitue, tomate, soja, haricots, épinards, etc.

Le compartiment 5 – C5

Le compartiment C5 représente l’équipage dans la station : le consommateur et producteur, soit le point initial de la boucle. Au MPP, l’équipage est remplacé par des rats dont le nombre est déterminé de manière à simuler la même consommation d’oxygène et production de CO2 : 1 kg O2/j et 1.05 kg CO2/j. Dans ces conditions, la boucle pourra être en totalité simulée dès que les couplages de compartiments auront été réalisés. Le réacteur représentatif de « l’équipage » est une cage hermétique où tous les paramètres assurant la survie des animaux (température, eau, oxygène) sont contrôlés.

Figure I-21: Schéma du réacteur du compartiment C5 (gauche) et photo lors d’une manipulation (droite).

Plusieurs des réacteurs de la boucle MELiSSA au MPP ont fait l’objet d’un « redesign » au cours des années. C’est le cas des compartiments 3 et 4b par exemple, où de nouveaux réacteurs sont venus remplacer les anciennes versions. Après le test de chacun des réacteurs, il est nécessaire de tester les couplages entre chaque étape de la boucle. Ce test est prévu sur plusieurs années et a déjà commencé au MPP.

I.3.3.4 Le couplage des compartiments

Le couplage des différents réacteurs de la boucle MELiSSA est une étape complexe dans le déroulement du projet. Les premières étapes du couplage s’articulent autour du réacteur le

47 mieux connu de la boucle : le compartiment 4a. C’est le réacteur le plus maitrisé en termes de connaissance, de modèle et de contrôle. Il supporte deux fonctions essentielles : la régénération de l’oxygène et la production de nourriture. Depuis deux ans, le couplage des réacteurs a commencé au MPP selon le plan représenté en Figure I-22.

Figure I-22: Planning du couplage des compartiments 3, 4a et 5 au MELiSSA Pilot Plant.

Le premier couplage concerne la connexion liquide entre le C3 et le C4a. Il a été réalisé et a fourni des résultats positifs et concluants. Les couplages suivants n’ont pas encore été réalisés mais sont en cours de planification.

Le MELiSSA Pilot Plant est une plateforme de test de la boucle MELiSSA. Il dispose d’une représentation à l’échelle pilote de la boucle. Cette installation permet notamment de tester et de peaufiner les modèles de contrôle associés à chaque compartiment. Le couplage des compartiments est une étape complexe mais indispensable pour l’avancée du projet. Le compartiment nitrifiant de MELiSSA

Le compartiment nitrifiant de la boucle MELiSSA assure l’oxydation de l’ammonium en nitrate. Cette transformation est essentielle pour traiter les déchets azotés de l’équipage et assurer la régénération de l’oxygène au sein de la station spatiale. L’étude de procédé représente la problématique principale de ce travail de thèse.

I.3.4 Description, objectifs et contraintes du compartiment 3