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YSTEMEMODULAIREPOLR LA CULTURE ! NTENSIVE DE MICROALGL ES AVEC OPTIMISATION DE LAPHOTOSYNTHESEETPL M ! L ! EF DE CTLTTRRE.
L'invention a pour but de permettre la production des algues microscopiques de façon intensive en optimisant) la photosynthèse, d'une part au moyen d'un bioréacteur offrant une plus grande surface éclairée et d'autre part au moyen de turbulences induites par l'injection de liquide (s) ou de gaz, ensemble ou séparément tout en maintenant les autres paramètres physiques et chimiques du milieu de culture au niveau optimal La lumière peut être artificielle ou naturelle
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A l'état naturel, ainsi que dans la plupart des cultures industrielles à l'air libre, les algues e sont cultivées dans des lacs ou des bassins aménagés On estime souvent la production des micro-algues en fonction du temps de doublement de la biomasse Le rendement de production est habituellement exprimé en grammes de matière sèche par mètre carré par jour La densité optique,
qui traduit cet accroissement, est généralement mesurée à 560 nm Elle augmente selon une courbe variable selon les espèces La quantité de lumière, solaire ou artificielle, détermine partiellement la forme de cette courbe. Si l'éclairement est faible, la croissance est lente Si elle est trop importante, les algues meurent 1I peut être intéressant de récolter les algues lorsque la croissance est en phase exponentielle, le temps de doublement de la biomasse étant le plus court Lorsque la densité optique augmente, les algues reçoivent moins de lumière et la croissance est ralentie Le milieu de culture doit également contenir les nutriments en quantité optimale pour permettre l'anabolisme, le catabolisme et la multiplication cellulaire Outre la quantité de lumière,
la croissance est maximale lorsque les concentrations des différents ions sont bien équilibrées Les fonctions vitales des micro-organismes modifient la composition chimique du milieu, notamment par consommation de carbone durant la photosynthèse Il en résulte des modifications de concentration et de pH Lors de la photosynthèse, les photons atteignent les molécules de chlorophylle et d'autres pigments
Cette phase est très brève en comparaison du reste du processus amenant a la production de matière organique La photosynthèse des micro-algues est abondamment décrite dans la littérature
Dans les cultures industrielles a t'air fibre,
ta lumière ne pénètre pas en général a plus de
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3 cm sous la surface lorsque la biomasse atteint une bonne densité pour la récolte La forme et les dimensions des bassins dépendent des espèces cultivées Une agitation importante permet aux algues d'être le plus souvent possible exposées à la lumière Cette agitation est habituellement produite par des moyens mécaniques, comme les roues à aubes, ou par injection d'air ou de gaz comprimé Ces systèmes à l'air libre sont sensibles aux contaminations extérieures par les fumées, poussières, micro-organismes, insectes,...
Leur rendement est en outre assez faible et très sensibles aux conditions extérieures D'autres systèmes existent Il s'agit notamment de bioréacteurs tubulaires, horizontaux, verticaux ou inclinés, ou de systèmes complexes faisant appel à des sources de lumière artificielle La récolte se fait par filtration de la biomasse, l'eau de culture étant évacuée ou recyclée L'invention décrite vise à optimiser la photosynthèse au moyen d'un appareil simple à construire et à entretenir tout en profitant au maximum des énergies naturelles.
Le système permet d'augmenter la surface du milieu de culture exposée à la lumière, de produire des turbulences dans celui-ci de façon à amener les micro-algues le plus souvent possible à la lumière en contrôlant différents paramètres chimiques et physiques pour maintenir les conditions les plus adaptées à une croissance rapide La forme et les dispositifs du système permet de réduire la consommation énergétique Sa conception permet également de protéger efficacement les cultures des contaminations extérieures.
L'invention est de nature modulaire Plusieurs unités peuvent être connectées en série ou en parallèle et former des ensembles ou lignes de production distincts Pour une meilleure efficacité, chaque unité devrait être disposée plus bas que la précédente pour profiter de la différence de hauteur d'eau L'entrée et la sortie sont munies de systèmes permettant de laisser entrer le liquide dans le dispositif, de le contourner, de diriger le liquide vers un système de récolte ou vers une évacuation des eau usées Ces dispositifs ou des conduits séparés permettent éventuellement J'introduction d'autres fluides Le principe du système est un réservoir dont les parois transparentes sont inclinées avec tout angle approprié, l'angle de chacune des parois pouvant être different Elles peuvent être en \erre ou toute matière transparente t.
es parois peuvent être planes ou ou présenter une courbure, laquelle peut être simple, comme par exemple une portion de parabole, ou plus complexe, par exemple ondulée, ou encore présenter un profil de nature à améliorer la
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résistance aux contraintes ou favoriser le passage des algues dans la zone éclairée Elles peuvent aussi être pourvues de dispositifs augmentant la fréquence de passage des algues dans ! a zone éclairée Un tube ou autre conduit de forme appropriée soutient le fond tout en permettant l'entrée de liquides et de gaz dans le bioréacteur au moyen d'orifices Ces entrées peuvent être munies de dispositifs complémentaires dans le but d'augmenter les turbulences Les dimensions du conduit,
le diamètre des trous et leur nombre sont fonctions du débit souhaité et de la viscosité maximale de la biomasse Il y a au moins une cloison qui sépare le conduit entre l'entrée et la sortie Le conduit pourrait présenter différentes cloisons supplémentaires, de façon à constituer une ou plusieurs chambres Un ou plusieurs tuyaux permettraient d'y connecter une ou plusieurs sources de liquides ou de gaz. Des anti-retour ou tout autre moyen permettent d'éviter que l'eau de culture ne pénètre dans ces chambres.
Le niveau de l'eau est déterminé par un trop-plein en communication avec le conduit de sortie sous le fond Le conduit constituant le trop-plein, situé à l'intérieur ou à l'extérieur, peut être de section semi-cylindrique ou d'autre form Une gouttière permet de faire couler l'eau à la verticale au centre du trop-plein D'autres trop-pleins, placés à un niveau supérieur pourraient permettre l'évacuation d'un excès de liquide indésirable Les parois et le fond sont soutenus par des supports dont la solidité est en rapport avec la taille du dispositif Pour compenser la pression du liquide sur les parois et le fond, des barres ou des tubes augmentent la résistance Le cas échéant, un ou plusieurs support (s)
intermédiaires seront ajoutés pour augmenter la longueur en utilisant des éléments standardisés Le système sera construit de façon à ce que le fond présente un légère pente en direction de l'entrée d'eau pour permettre une vidange complète du système (26) et accéder au conduit pour le nettoyage La partie du conduit située sous le trop-plein et, le cas échéant, chaque chambre, présenteront également un dispositif similaire (26) L'injection de gaz doit permettre de produire des bulles de différentes tailles, selon que l'on désire provoquer beaucoup de turbulences ou que l'on désire dissoudre beaucoup de gaz dans l'eau On peut
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utiliser l'air, ou des gaz neutres, ou non toxiques pour l'agitation, du dioxyde de carbone uti 1 MI--' > pour contrôler le pH ou tout autre gaz utiles, seuls ou en melange 1 1 Selon les cas, des réflecteurs de dimensions,
de courbure et d'inclinaison \ariables peuvent renvoyer ta lumière vers tes parois transparentes 1 es réflecteurs peuvent être des miroirs
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ou toute surface réfléchissante ou autre dispositif permettant d'amener la lumière vers les parois La température peut être contrôlee par un dispositif échangeur de chaleur, en modifiant la quantité de lumière ou en filtrant la lumière pénétrant dans les bioréacteurs, ou en ajoutant du liquide ou du gaz,
ou toute combinaison de ces moyens Un couvercle transparent peut protéger la biomasse de contaminations extérieures Les avantages de cette invention sont les suivants . le rapport de la surface exposée à la lumière au volume du milieu de culture est plus important que dans les bassins à l'air libre . du fait des turbulences induites par les liquides ou les gaz et les autres dispositifs, les algues passent plus fréquemment dans la zone éclairée.
. les turbulences permettent une répartition efficace et rapides des nutriments et des micro-organismes de façon à uniformiser les concentrations dans la biomasse et le milieu de culture . des liquides peuvent également être mélangés pour contrôler la concentration en sels ou la température, ou dans d'autres buts . le pH peut être contrôlé par adjonction de dioxyde de carbone ou par des liquides comme par exemple une solution de carbonate ou bicarbonate de sodium .
une protection transparente peut fermer le haut du réservoir pour éviter la contamination par des polluants minéraux ou organiques tels que poussières, fumées, insectes, micro-organismes, # le système est particulièrement adapté aux terrains à pente modérée ou forte le système est modulaire, les bioréacteurs, même de tailles différentes pouvant être disposés en série ou en parallèle, chacun pouvant être contourné si besoin sans interrompre le fonctionnement de l'ensemble la construction se fait au moyen d'elements standardises, ce qui permet unassemblage aisé et des économies d'echelle Les tubes de renfort peu\ ent également ser\ ir à amener les liquides et gaz
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les systèmes de connexion entre les bioréacteurs sont standardisés et entièrement contrôlables . 'entretien est aisé l'ensemble du procédé peut être géré de façon totalement automatique Tous les paramètres étant optimisés, l'invention permet d'augmenter la quantité et la qualité des algues produites L'invention est exposée plus en détail au moyen des dessins suivants qui représentent un des modes de réalisation possible
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La figure 1 représente le bioréacteur vu de haut L'entrée de l'eau se fait en (1), par le conduit sous le fond On peut également injecter d'autres liquides ou gaz en même temps Les parois inclinées (2) sont fixées sur les supports latéraux (3) qui sont prévus pour résister à la pression de l'eau Un étrier (4)
sert de support intermédiaire pour limiter les contraintes dues à la longueur des parois transparentes Une lame de métal (9) au sommet évite l'écartement sous la pression latérale Les tubes de renfort horizontaux (5), permettant de diminuer les contraintes dues à la hauteur de l'eau, traverseront ces supports et pourront également servir de conduits pour des gaz ou des liquides Sur la paroi opposée à l'entrée, un trop-plein (6) détermine le niveau d'eau maximal (7) Le bioréacteur suivant étant plus bas, la hauteur d'eau dans le trop-plein (8) est normalement inférieure La hauteur entre le niveau d'eau (7) et le bord supérieur du réservoir permet de contenir les remous et éviter ainsi le débordement La gouttière (10) permet au liquide de couler en un mince filet à la verticale de la surface d'eau du trop-plein (8)
de manière à éviter un ruissellement le long de ses parois Le conduit du fond permet la sortie de l'eau en (11) L'eau de culture entre dans le bioréacteur par les trous (11) Les gaz entrent dans la chambre du conduit au moyen du tube (14) puis dans le milieu par les trous et dispositifs (13) La figure 2 représente l'invention en coupe selon l'axe A-A'La figure 3 représente l"invention selon l'axe 8-8'Les parois (2) pourront être faites au moyen de feuilles de plastique dur transparent comme le polyméthacrylate de meth) Je de 8 mm d'épaisseur Elles seront pliées par thermoformage pour obtenir un angle (a)
de l'ordre de 800 à 900 1 a largeur au ni\eau du trop-plein sera légerement superieure au double de la largeur du
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fond La hauteur totale sera d'environ 95 cm à partir du fond Ce pliage permet de réduire le nombre de joints tout en augmentant la rigidité Plusieurs de ces profils transparents
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thermoformés seront placés en alignement pour augmenter la longueur totale En 1 connaissant l'angle (a), il est possible de déterminer la taille et l'inclinaison des réflecteurs en fonction de la latitude du lieu et du jour L'inclinaison, ou la courbure des réflecteurs permet de contrôler la quantité de lumière arrivant sur les parois De cette façon,
on peut
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réduire l'éclairage lorsque la densité de la biomasse est faible ou si la température augmente trop Le bioréacteur pourra être muni d'un couvercle (15) permettant l'évacuation des gaz excédentaires (17) et fixé solidement (18) pour résister au vent Il sera cependant facile à démonter pour nettoyage Sa forme permettra de récolter l'eau d'évaporation La figure 4 représente, à une échelle inférieure, la méthode permettant de déterminer l'angle (ss) et la taille d'un réflecteurs (16) en fonction de l'angle des parois (a), de la hauteur d'eau (7) et de la hauteur apparente du soleil sur l'horizon (8) de façon telle que les rayons solaires parviennent perpendiculairement sur toute la surface des parois (2) L'angle (o)
est fonction de la latitude, de l'inclinaison de l'écliptique et de la période de l'année, il est aisé à déterminer par les formules de l'astronomie. Pour cette raison les bioréacteurs seront de préférence orientés selon l'axe est-ouest. Pour la simplicité de la figure 4, seules les parois transparentes (2), le niveau de l'eau (7) et un seul réflecteur ont été représentés La figure 5 montre le diagramme schématique d'un exemple d'organisation des bioréacteurs en série Pour la facilité de lecture, seuls trois (parmi n) bioréacteurs d'un ensemble, les deux premiers et le dernier, ont été dessinés Les bioréacteurs simples sont indiqués par (BI), un modèle plus long étant indiqué par (B2) En effet,
il peut s'avérer intéressant de disposer de bioréacteurs de tailles différentes au sein d'un ensemble Une réserve d'eau de qualité optimale pour la culture est stockée dans un bassin ou réservoir de grande taille (20) Les réservoirs (20, 30, 50) sont situés plus haut que le niveau (7) du premier bioréacteur Le réservoir (44), et le système de récolte (43) sont situés sous le niveau du bas du bioréacteur le plus bas de l'ensemble, l'extrémité du conduit ou caniveau d'eaux usées (27)
étant te point le plus bas de tous Tous les réservoirs de biomasse seront protégés contre les contaminations La composition chimique du milieu
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de culture dépend de l'espèce de micro-algue cultivée tt sera exempt de micro-organismes et autres débris Il pourrait être stérilisé et porté à la température optimale si besoin Une
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réserve de micro-algues soigneusement sélectionnées et de haute densité (50) sert à 1 m ensemencer le premier bioréacteur de la série Le système étant modulaire, les bioréacteurs doivent être reliés entre eux Un système standardisé (22) de mélange et de contrôle des fluides, comportant au moins quatre entrées et au moins quatre sorties est utilisé pour ce faire Dans l'exemple décrit,
quatre des entrées peuvent être utilisées comme suit Les deux premières, munies de dispositifs antiretour, peuvent servir à l'introduction de la biomasse, la seconde, peut servir, sauf exception, au branchement du conduit de contournement du bioréacteur précédent, la troisième peut permettre l'ajout contrôlé de milieu de culture, la quatrième peut permettre l'ajout contrôlé d'eau potable Les quatre sorties peuvent être utilisées comme suit La première peut permettre de diriger le liquide vers le bioréacteur suivant, la seconde peut diriger le liquide vers le conduit de contournement du bioréacteur suivant, la troisième peut diriger le liquide vers le conduit de récolte et la quatrième peut diriger le liquide vers le conduit des eaux usées.
La quatrième sortie est soit totalement ouverte, soit totalement fermée Son débit total est au moins égal au débit total des entrées du système (22) Son ouverture impose la fermeture des trois autres sorties Les trois autres sorties permettent diviser le flux de liquide, chacune d'elles pouvant être partiellement ouverte, totalement ouverte ou totalement fermée La somme des débits de ces trois sorties doit cependant être au moins égale au débit total des entrées du système (22) Les entrée et sorties supplémentaires permettraient l'introduction ou l'évacuation de tout liquide ou gaz selon des règles établies Dans cet exemple, un fluide provenant du conduit (35) entre via le conduit (49) Ces systèmes (22)
peuvent être commandés individuellement par tout dispositif d'activation adéquat en tenant compte des divers paramètres S'il s'agit du premier ou du dernier système (22) d'une série, les branchements seront différents M est aussi possible de connecter directement deux ou plusieurs bioréacteurs en série au moyen de conduites Dans ce cas, le sous-ensemble ainsi constitué est considéré comme un bioréacteur de plus grande taille Le système de contrôle des fluides pourrait être remplacé par un ensemble de vannes séparées, ou un autre système simplifié Ln premier système de contrôle dc tluides (22) permet le passage du milieu de culture, de la biomasse.
de la biomasse d'ensemencement, ou d'eau potabte, ou d'un quelconque
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mélange des quatre, vers le bioreacteur (bol) via l'entrée (1) Les systèmes (22) suivants sont identiques, bien que certaines entrées ou sorties puissent être inutilisées, ou utilisées différemment Lorsque le niveau (7) d'un réacteur (81 ou 82) du trop-plein (6) est atteint, le liquide s'écoule pour atteindre le niveau (8) Il s'écoule par la sortie (I I) vers un système (22) Les systèmes de vidange et de nettoyage (26), sont reliés au conduit ou caniveau d'évacuation des eaux usées (27) Un conduit (32) permet l'introduction d'air comprimé dans le réacteur via un conduit et son organe de commande (33)
Si besoin, l'air comprimé peut aussi commander les systèmes ayant un dispositif d'activation pneumatique (22,29, 42) via les conduits (34) ou alimenter tout autre appareil pneumatique Un ou plusieurs conduits (35) pourraient amener d'autres fluides dans les chambres sous le bioréacteur au moyen de conduits et de leur organe de commande (49) Une seul conduit (35) est représenté dans cet exemple Le dispositif (42) est le système de commande d'un réflecteur (16), il peut également être commandé par tout dispositif d'activation adéquat A la sortie du dernier bioréacteur de l'ensemble, un système (22) permet de diriger le flux pour le stockage temporaire de la biomasse dans un bassin ou réservoir (44), qui peut être commun à plusieurs séries de bioréacteurs, en vue de son pompage vers le bassin (30) via le conduit (24) et la pompe (29)
Les micro-algues extraites du milieu sont dirigées vers la suite du processus de production (45) La biomasse circule pendant un certain temps dans le système Dès qu'une densité suffisante est atteinte, on peut activer la sortie appropriée de l'un des systèmes (22) en vue de récolter une partie ou la totalité des micro-algues vers le conduit (28) Une unité de récolte (43) qui peut être commune à un ensemble de séries peut être alimentée au départ du conduit (28) ou du bassin (44) Le cas échéant, l'eau résiduaire après filtration peut également retourner dans la réserve (44) ou être évacuée La récolte pouvant avoir lieu au départ d'un ou plusieurs systèmes (22), une quantité d'eau potable du conduit (47) ou de milieu de culture du conduit (48), ou les deux en proportion adéquate,
permet de maintenir un débit suffisant toute en contrôlant certaines caractéristiques physiques et chimiques du milieu On peut de cette façon éviter les chocs biologiques dus aux changements de concentration r\, entuellement, un circuit électronique bidirectionnel (6), appelé bus de données permet
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le contrôle des systèmes (22, 29,42, 43) au moyen de commandes électriques (37) et la collecte des paramètres chimiques et physiques des capteurs (38) au moyen des liaisons (39) Pour simplifier le dessin, seul un câble (37) et un capteur (38) sont représentés, à un endroit quelconque, des bioréacteurs Certaines mesures seront effectuées au niveau de chaque bioréacteurs, d'une série,
ou d'un ensemble ou a tout autre endroit approprié Un moyen de communication (40) relie le bus de données (36) à un système de contrôle électronique (41) Pour les liaisons (37, 39,40) et le bus de données (36), tous les moyens de télécommunication tels que câbles, fibres optiques, ondes électromagnétiques sont utilisables