EP2391703A2 - Procede et dispositif pour la culture d'algues - Google Patents

Procede et dispositif pour la culture d'algues

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Publication number
EP2391703A2
EP2391703A2 EP10705313A EP10705313A EP2391703A2 EP 2391703 A2 EP2391703 A2 EP 2391703A2 EP 10705313 A EP10705313 A EP 10705313A EP 10705313 A EP10705313 A EP 10705313A EP 2391703 A2 EP2391703 A2 EP 2391703A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
algae
substrate
luminescent
wavelengths
enclosure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10705313A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Julien Sylvestre
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Photofuel SAS
Original Assignee
Photofuel SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Photofuel SAS filed Critical Photofuel SAS
Publication of EP2391703A2 publication Critical patent/EP2391703A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/02—Form or structure of the vessel
    • C12M23/18—Open ponds; Greenhouse type or underground installations
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02—Photobioreactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/26—Constructional details, e.g. recesses, hinges flexible
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M31/00—Means for providing, directing, scattering or concentrating light
    • C12M31/10—Means for providing, directing, scattering or concentrating light by light emitting elements located inside the reactor, e.g. LED or OLED
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M39/00—Means for cleaning the apparatus or avoiding unwanted deposits of microorganisms

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for the cultivation of algae.
  • algae designates, for convenience, any species of aquatic microscopic photosynthetic organism such as microalgae, cyanobacteria or microscopic angiosperms ("micro-crops” such as duckweeds).
  • These algae may be from one of hundreds of thousands of naturally occurring species on the surface of the globe or have been genetically modified by techniques known to those skilled in the art.
  • the algae can be grown as pure cultures (single species) or mixed cultures with several algae of different species, identified or not.
  • the algae can be grown in fresh water, sea water or brackish water, fresh or used.
  • the algae can be grown for themselves or to manufacture various chemical compounds (cellulose, sugars, alcohols, lipids, proteins) by recycling carbon dioxide in the form of organic matter via the photosynthesis reaction. These chemical compounds can be produced inside the algal or secreted cells.
  • the cultivated algae are separated from the water which contains, continuously or by batch methods, by various methods known to those skilled in the art.
  • some of the chemical compounds of interest produced or secreted can be incorporated into various products or supplements for the chemical industries (eg ethanol), food or feed (eg Omega 3), cosmetics and pharmaceuticals. .
  • Some of these chemical compounds can be used to make biofuels such as bioethanol, biodiesel, and various "designer fuels" that can be directly substituted, partially or totally, for gasoline, diesel or jet fuel. in motor, rail, water and marine transport.
  • the algae may also, by various methods known to those skilled in the art, be used for the production of biogas, biohydrogen or bioelectricity
  • Biorefineries built around algae cultivation thus offer several important advantages in the fields of chemistry, energy, environment, food and health compared to current processes based on seaweed substrates. fossil origin.
  • Algae cultivation in the absence of light is similar to fermentation and therefore relies on equipment and technologies adapted to well established fermentation industries.
  • This approach has two major drawbacks. First, qualitatively, it is estimated that a small minority, of the order of 1 to 10% of natural algae can be adapted to such a type of heterotrophic culture.
  • the substrate typically used for fermentation is sugar.
  • world production of annual sugar, for all purposes including food and ethanol production is 170 million tons per year, or 17 kJ per g, a quantity of energy of the order of 2.9 10 At 18 Joules.
  • World energy consumption worth 500 exajoules (5 10 TO 20 Joules) we see that this heterotrophic approach is not able to replace, on a large scale, fossil fuels used to produce the vast majority of energy currently used for human activities and production.
  • heterotrophic algae involves a preliminary photosynthesis step allowing the fixation of organic matter (sugars or possibly other substrates) by terrestrial plants thanks to terrestrial plants. This stage involves significant amounts of fertilizer, water, energy, human labor and soils and its environmental record is very imperfect.
  • Microalgae are grown in the laboratory in the presence of artificial light.
  • the cost of this approach is prohibitive. It is limited here to consider the marginal cost of electricity needed for lighting, without taking into account neither the installation and operating costs of the culture device nor the price of the light sources and their replacement. It takes a low cost of electricity, 5 cts / kWh, a yield of the artificial light source of 20%, an overall efficiency of photosynthesis of 25% with this source of light (it takes eight photons to fix a CH2O molecule), an algal oil content of 50% (by mass). It is considered that the oil extracted from algae has an energy density close to that of diesel, ie 12 kWh / kg. Producing 1 kg of oil implies, under these quite optimistic conditions, a marginal cost in electricity of
  • the average annual solar power received by the Earth's surface is about 90,000 TW.
  • the human consumption of energy is equivalent to an average power of the order of 18 TW or 5000 times less. It is thus obvious that solar radiation is a renewable source of primary energy that is largely enough abundant to meet all the energy needs of man.
  • Photosynthesis allows, with instantaneous yields measured between 0.02 and 10%, and more generally average yields observed between 0.1% and 2% for terrestrial plants, to directly convert solar energy into fuels and bioproducts, and therefore into a source of energy.
  • algae offer surface yields that are much higher than traditional terrestrial crops such as rapeseed or even palm oil (between 5 and 100 times).
  • algae do not need agricultural soils, eliminating the problems, put forward for current biofuels, competition with food and negative environmental impact of land use changes and practices such as deforestation.
  • Algae can finally be used to directly recycle concentrated carbon dioxide and wastewater.
  • PAR photosynthetically active radiation
  • the invention relates to a method and a device that improves the growth performance of algae. This yield improvement improves economic viability and environmental performance (life cycle analysis), particularly in the context of biorefineries.
  • the invention relates to a device for the cultivation of algae in natural light, comprising an enclosure with a culture medium and the algae to be cultivated, characterized in that the device further comprises a substrate arranged to receive the solar radiation for photoconversion of said solar radiation, the substrate comprising at least one luminescent compound for reemitting a radiation whose spectrum is adapted to the optimization of a biological parameter of interest resulting from the photosynthesis of said algae.
  • the substrate is interposed between the incident solar radiation and the enclosure.
  • the enclosure is formed of a culture basin, at least partially covered by the substrate.
  • the substrate constitutes a wall of the enclosure.
  • the enclosure is formed by a tube circuit in which circulates the culture medium containing the algae in suspension.
  • the enclosure is formed by a flexible bag forming the substrate, made of a material substantially transparent doped with at least one luminescent compound.
  • the substrate comprises particles suspended in the culture medium, the luminescent compound (s) being incorporated into the particles.
  • the substrate comprises at least 2 luminescent compounds.
  • At least one of said luminescent compounds at least partially overlaps the emission spectrum of at least one of said other luminescent compounds.
  • At least one of said luminescent compounds has an absorption spectrum covering the 300 - 360 nm band and an emission spectrum covering the 340 - 400 nm band.
  • At least one of said luminescent compounds has an emission according to an anti-Stokes mechanism.
  • the device integrates a source of CO2.
  • the device further comprises an incident solar energy concentrator.
  • the one or more luminescent compounds have wavelengths of absorption or emission that promote the photosynthesis of algae.
  • the invention relates to a method of manufacturing an algae culture device according to the first aspect comprising: prior exposure of said algae to cultivation at different wavelengths;
  • said biological parameter of interest is the growth rate of the algae.
  • the biological parameter of interest is the production of oil by the algae.
  • said biological parameter of interest is the production of a pigment given by the algae.
  • the invention relates to a method for cultivating algae in natural light, comprising culturing the algae in an enclosure with a culture medium, characterized in that it further comprises the photoconversion of the solar light by means of a substrate comprising at least one luminescent compound for reemitting a radiation whose spectrum is adapted to the photosynthesis wavelengths of said algae.
  • the method according to the invention leads to an increase of 20% to 100% or more in both theoretical and practical maxima, for a limited increase in capital and operational costs, and thus provides a major economic advantage.
  • This technique is compatible with many and can be combined with other more conventional improvements proposed by various authors, including the use of selected or genetically modified algae strains.
  • FIG. 2 a luminescent substrate integrated into the walls of a photobioreactor
  • the invention relates to methods and devices for modifying sunlight to overcome the limit of PAR (photosynthetic active radiation) as presented above.
  • the applicant has shown that it is precisely by increasing the PAR value beyond the 45.8% conventionally accepted by all authors, which is not suggested in the literature, that the method according to the invention makes it possible, with a very broad generality and adaptability and for a limited associated cost, to improve the yield of algae cultures beyond the maximum currently admitted by specialists.
  • the invention is applicable to a large number of algae culture systems including photobioreactors and simpler basin type systems.
  • the notion of PAR is a simplification because some wavelengths of PAR - such as green (range around 550 nm) for green algae - do not lead to efficient photosynthesis.
  • the PAR is therefore an increase in the fraction of solar radiation that is actually converted.
  • the method according to the invention makes it possible to modify the sunlight in order to limit these wavelengths of the PAR which are not very efficient in favor of more efficient wavelengths.
  • the Applicant has shown that by spectrally modifying fine sunlight incidentally to adapt it to the photosynthetic needs of the algae or cultivated algae, the process according to the invention provides an original and quantitatively important improvement applicable to almost -total methods of cultivation of algae from sunlight described or envisaged in the literature.
  • the invention relates, in its most general sense to a device for cultivating algae in natural light, comprising an enclosure with a culture medium and the algae to be cultivated, characterized in that the device further comprises a substrate arranged to receiving the solar radiation for photoconversion of said solar radiation, the substrate comprising at least one luminescent compound for reemitting a radiation whose spectrum is adapted to the optimization of a biological parameter of interest resulting from the photosynthesis of said algae .
  • the luminescent compounds used are preferably fluorescent organic molecules and more preferentially "dye laser” type molecules. Molecules with high quantum yield are chosen
  • the luminescent compounds used may include rare earths such as terbium or europium salts.
  • the luminescent compounds used may include inorganic compounds of the quantum dots type.
  • the luminescent compounds used can be selected from the following groups of compounds:
  • Rhodamine 110 (Lambdachrome)
  • a combination of several luminescent substances which comprises a substance of group A such as PPO or two substances of group A such as PPO and OB, and a substance of each of the following 1 to 3 groups (B, C, D, E or F).
  • concentrations used preferably vary between 0.1 and 1000 ppm, preferably between 1 and 100 ppm.
  • a serial emission-absorption system is used where the maximum emission wavelength of a substance corresponds to the maximum absorption wavelength of the next substance in the series.
  • FRET fluorescence resonance energy transfer
  • a group A substance, a group B substance and a group C substance are used.
  • the concentrations employed decrease as the emission wavelength increases. This rule of nontrivial concentration is inspired by what is observed in phycobillisomes and it limits the phenomena of self-absorption.
  • the substrate in which the phosphors are incorporated is a plastic, for example an acrylic plastic such as polymethylmethacrylate (PMMA) or else ethylene vinyl acetate (EVA), Apoliah (Arkema), polyvinylidene fluoride (PVDF) , polyethylene (PE), polycarbonate (PC).
  • PMMA polymethylmethacrylate
  • EVA ethylene vinyl acetate
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PE polyethylene
  • PC polycarbonate
  • the luminescent substances are integrated in a resin or varnish that is spread on plates or glass tubes.
  • particles of TiO 2 and / or aluminum oxide at 0.1-0.5% by weight are incorporated in the substrate, which act as light diffusers and UV reflectors.
  • the luminescent substances are incorporated into millimetric beads of polystyrene, PMMA or another polymer, which are suspended in the culture medium.
  • these beads also make it possible to clean the walls of the container containing the culture and to prevent their fouling.
  • the beads thus constitute an internal light source in the culture medium and make it possible to remove a limitation of the devices of the prior art concerning the distribution of light within the culture volume.
  • said millimeter balls are rendered phosphorescent by the use of so-called substances with a long remanence (> 10 ⁇ s).
  • the phosphorescent beads which circulate in the culture medium, have been previously illuminated either by sunlight or by a UV flash or other source of high energy monochromatic artificial light. Such beads can be used day and night. They may comprise ZnS crystals with 10-1000 ppm of copper or silver dopants.
  • one of the luminescent substances used is chosen by those skilled in the art so as to convert, by an anti-Stokes type mechanism, a portion of the infrared radiation (700-2000 nm) into visible radiation, preferably in red radiation (600-700 nm). Additional advantages provided by the process according to the invention are described in a nonlimiting manner below:
  • luminescent substances according to the invention leads to a re-emission of solar light incident in all directions of space.
  • a given phosphor re-emits the incident light anisotropically (with a "donut-like" distribution) but the orientation of the substance within the light-transforming material, which is itself random, leads to a re-emission.
  • statistically isotropic at 4pi steradians This makes it possible to transform the incident direct sunlight into a diffuse light.
  • the diffuse light thus obtained is favorable to the growth of algae because it limits photoinhibition phenomena.
  • the method according to the invention promotes the growth of algae both when they are illuminated by direct sunlight and when the light that illuminates them is itself diffused or remanent, which is the case when the weather conditions include the presence of clouds and / or water vapor.
  • the method according to the invention absorbs a part of the UV light of the sun (260-400 nm) which is re-emitted in visible wavelengths (400 nm and more). This makes it possible to limit the exposure of the algae to the UV which is known to those skilled in the art that it can limit the growth of said algae, or even, in certain cases, lead to mutations that can render genetically inhomogeneous and ultimately destabilize the species. cultivated. Thermal benefits
  • the modification of the sunlight produced by the process according to the invention leads to an advantageous modification of the temperature profile to which the algal cultures are subjected.
  • the effect depends on the chosen culture device (photobioreactor, greenhouse, bag or open basin) but it combines, with a greater or lesser intensity, on the one hand a decrease in the average value and the maximum of the temperature during the day and on the other hand an increase of the average value and the minimum of the temperature at night.
  • These two thermal effects increase the average productivity of algae crops. They also make it possible to limit the occurrence of cases of unfavorable extreme temperatures which can lead to the extinction of algal cultures having been exposed to abnormally hot or abnormally cold temperatures.
  • the method according to the invention makes it possible to modify the sunlight to adapt it to the needs of the various species of algae.
  • green algae have a photosynthetic device that makes photosynthesis particularly effective in the presence of blue illumination (440 nm) and red (680 nm).
  • the method according to the invention makes it possible, by using a combination of appropriate luminescent substances, to modify natural sunlight whose spectrum has a single maximum around 550 nm to obtain a light whose spectrum has two maxima, the first towards 440 nm and the second around 680 nm.
  • a group A substance, a group B substance and a group D substance are used.
  • red algae do not use blue light and red light well but reproduce with maximum efficiency when lit by green light, around 560 nm.
  • the method according to the invention makes it possible, by using a combination of appropriate phosphors, to modify the solar spectrum to increase the intensity of its peak towards 550 nm and to decrease the intensity of one or more other regions of the spectrum.
  • a group A substance, a group B substance and a group C substance are used.
  • cyanobacteria do not have chloroplasts.
  • These prokaryotic cells have a photosynthetic apparatus and a particular pigment equipment, which leads them to grow optimally when they are illuminated by a light enriched in wavelengths between 580 and 650 nm.
  • the method according to the invention makes it possible to enrich the sunlight between 580 and 650 nm by converting wavelengths less than 580 nm (and / or wavelengths greater than 650 nm).
  • a group A substance, a group B substance, a group E substance and a group F substance are used.
  • Step 0 - We choose a species of alga given, isolated from a natural habitat or genetically modified, that we wish to cultivate.
  • Step 1 - A broad-spectrum white light source and a monochromator or a light filtered by various interference filters and adjusted in power so that each color transmitted by the filter has the same intensity, or preferably, is used.
  • colored light source for example blue, green, red LEDs, etc. of identical intensity.
  • the algal culture is thus subjected to different wavelength ranges.
  • Step 2 For each illumination condition, the photosynthetic activity of the algae is measured (for example by continuously measuring the oxygen produced) and / or the carbon dioxide consumed) and a spectrum of average productivity is deduced. (g / L / day) depending on the wavelength of incident light.
  • Step 3 A combination of luminescent substances is selected in order to modify the sunlight, whose spectrum is otherwise easy to establish, to concentrate it in the wavelengths that have just been empirically observed to lead to a high productivity. maximum algal culture.
  • Step 4 Luminescent substances whose composition has just been determined in step 3 are incorporated into a masterbatch.
  • Step 5 Mixing said masterbatch, a monomer, and any additives known to those skilled in the art to make a plastic material.
  • Step 6 Extruding said doped plastic material and thus producing plates and tubes or films from which a photobioreactor or cover element is constructed which accelerates the growth of the algae selected in step 0.
  • Algae can allow the production of various compounds of interest such as pigments.
  • One can empirically, by producing controlled algae cultures for various wavelength ranges (for example with twelve LEDs of the same power illuminating in ten wavelength ranges between 350 and 950 nm: 350-400 nm, 400 -450nm, 450-500nm etc.), identify an optimal wavelength interval that leads to obtaining a larger amount of the compound of interest.
  • the phosphor compositions used in the process according to the invention are then adapted to modify the sunlight to concentrate it in the optimum range.
  • Some species of algae may contain a significant amount of oil, up to 50% or more of their dry weight.
  • the conditions that allow algae to grow at a maximum speed are different from the conditions that allow each cell to accumulate a large amount of lipids.
  • the culture conditions of a culture of algae which grows rapidly are modified so as to favor, in a second time, the accumulation of lipids.
  • Various types of stress are possible, including nitrogen deprivation stress.
  • the method according to the invention offers the possibility of using a modification of the light to generate a stress favoring the production of lipids.
  • the nature of the Soil spectrum adapted to the generation of said stress can be determined in the laboratory by an analysis of the response (lipid content per gram of dry matter) of a culture of the alga of interest exposed at different wavelengths. artificial light. Then, at the appropriate time of production, a large scale cultivation of the algae of interest can be subjected to sunlight modified by the process according to the invention in order to obtain a theoretical composition that is close to the Soil spectrum. previously determined ideal. This allows said culture to accumulate a large amount of lipids.
  • the method according to the invention is applicable to hybrid culture systems combining the advantages of photobioreactors (controlled environment, high productivity) and ponds (lower cost).
  • photobioreactors controlled environment, high productivity
  • ponds low cost
  • Different portions of the reactor may comprise differently doped materials.
  • Example 1 Tubular Photobioreactors
  • the algae are grown in a device comprising a network of plastic tubes of diameter between 5 and 20 cm and a total length of up to several km.
  • a sectional view of a portion of the device is shown schematically in Figure 2.
  • Algae 20 are cultured in a tubular photobioreactor illuminated by natural light 30.
  • the wall 15 of the photobioreactor receives sunlight and is composed of a material which comprises at least a luminescent compound therein for retransmitting radiation whose spectrum is adapted to algae.
  • the device incorporates pumps and a concentrated carbon dioxide injection system.
  • the plastic of the tubes is doped, before extrusion, by a combination of luminescent substances chosen so as to modify the sunlight according to the physiological requirements of the seaweed species considered, as previously determined experimentally.
  • PMMA Polymethylmethacrylate
  • acrylic plastic that offers excellent optical properties and allows for good integration of luminescent substances and can be used for the manufacture of tubes.
  • a PMMA thickness of between 1 and 5 mm is used.
  • green algae the following formula is used, for example, for 3 mm PMMA plates, for 1 kg of MMA:
  • Example 2 - Bags A cheaper alternative for growing seaweed is using bags. These bags can be placed outdoors, in a closed area or float on the sea (semi-permeable bags are preferably used which can let out water and exchange nutrients with seawater but retain the seaweeds) .
  • the plastic component of the bags may be a polyethylene-ethylene vinyl acetate polymer (PE-EVA), Apoliah (Arkema) or PMMA.
  • the thickness of the bags is between 100 ⁇ m and 500 ⁇ m.
  • the plastic is doped, before extrusion, by a combination of luminescent substances chosen so as to modify the sunlight according to the physiological needs of the seaweed species considered, as previously determined experimentally.
  • the entire algae culture device which may include tubes, vats or panels, is integrated within an enclosed or semi-enclosed "shelter” type structure that plays a positive role in terms of thermal regulation. , bright, protection against parasites or predators and bad weather.
  • the walls of the greenhouse are composed of glass whose inner face has been coated with a resin doped with a combination of luminescent substances chosen so as to modify the sunlight according to the physiological needs of the seaweed species considered, such as as previously determined experimentally.
  • the coated glass can be replaced by doped PMMA plates.
  • the algae are cultivated in an open-air device of the hypodrome basin type ("raceway") or trench type ("trough").
  • a sectional view of a part of such a device is shown in FIG. 1.
  • a trench 11 acting as a chamber illuminated by natural light 30 in which algae 20 are suspended in an aqueous medium of upper surface 12 is hollowed out.
  • solar light is received and modified by a flexible film or a rigid plate 40 which comprises at least one luminescent compound for reemitting a radiation whose spectrum is suitable for algae.
  • the basin elements or the trenches are covered by the flexible or slightly rigid film, for example plastic doped by a combination of luminescent substances chosen so as to modify the sunlight according to the physiological needs of the seaweed species considered, as previously determined experimentally.
  • the film can be composed of PMMA, PE-EVA or PVDF.
  • Figure 3 shows a sectional view of a portion of a device according to a variant.
  • a closed system of tubular photobioreactor type 16 is illuminated by natural light to allow the cultivation of algae 20.
  • particles 45 containing at least one luminescent compound which emits radiation whose spectrum is suitable for algae.
  • the particles are for example formed of balls having a diameter of between 1 mm and 5 mm.
  • These beads may be beads conventionally used to clean the wall of the tubes and prevent the formation of a film of algae adhering to the surface of the tubes and which would eventually prevent the penetration of light.
  • a new function is given to said beads, which are doped with luminescent substances of short and / or long remanence (phosphorescent substances). allowing to work also in all darkness.
  • the beads which are constantly agitated by the movement imposed on the fluid of the photobioreactor, realize, within the culture medium, a spectral adaptation and they constitute a source of diffuse internal light that promotes the growth of algae throughout the aqueous volume .
  • the beads can be made from polymethylmethacrylate (PMMA), polypropylene, nylon, PVC or polyvinylacetate. Polystyrene beads or polymethylmethacrylate (PMMA) beads may be used. A porophore agent can be used to decrease the density of the beads while creating trapping vacuoles or photon concentration.
  • PMMA polymethylmethacrylate
  • PMMA polymethylmethacrylate
  • a porophore agent can be used to decrease the density of the beads while creating trapping vacuoles or photon concentration.
  • the detection device and the method according to the invention comprises various variants, modifications and improvements which will be obvious to those skilled in the art, it being understood that these various variants, modifications and improvements are within the scope of the invention, as defined by the following claims.

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Abstract

Selon un aspect, l'invention concerne un dispositif pour la culture d'algues en lumière naturelle, comprenant une enceinte avec un milieu de culture et les algues à cultiver, et un substrat agencé pour recevoir le rayonnement solaire en vue d'une photo conversion dudit rayonnement solaire, le substrat comprenant au moins un composé luminescent permettant de réémettre un rayonnement dont le spectre est adapté à l'optimisation d'un paramètre biologique d'intérêt résultant de la photosynthèse desdites algues.

Description

Procédé et dispositif pour la culture d' algues
Domaine de l' invention
La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la culture d'algues.
Etat de la technique
Dans ce document, le terme « algues » désigne, par commodité, n'importe quelle espèce d'organisme photosynthétique microscopique aquatique telle que des microalgues, des cyanobactéries ou des angiospermes microscopiques (« micro-crops » comme les lentilles d'eau) .
Ces algues peuvent être issues d'une des centaines de milliers d'espèces naturellement présentes à la surface du globe ou avoir été modifiées génétiquement par des techniques connues de l'homme de métier.
Les algues peuvent être cultivées sous forme de cultures pures (une seule espèce) ou de cultures mixtes comportant plusieurs algues d'espèces différentes, identifiées ou non.
Les algues peuvent être cultivées dans de l'eau douce, de l'eau de mer ou de l'eau saumâtre, fraîche ou usée.
Les algues peuvent être cultivées pour elles-mêmes ou pour fabriquer divers composés chimiques (cellulose, sucres, alcools, lipides, protéines) en recyclant du dioxyde de carbone sous forme de matière organique via la réaction de photosynthèse. Ces composés chimiques peuvent être produits à l'intérieur des cellules d'algues ou sécrétés.
Lorsque les composés chimiques d' intérêts ne sont pas sécrétés, les algues cultivées sont séparées de l'eau qui les contient, en continu ou par des procédés batchs, par diverses méthodes connues de l'homme de métier.
Directement, ou après conversion, certains des composés chimiques d' intérêt produits ou sécrétés peuvent être intégrés dans divers produits ou compléments pour les industries chimiques (e.g. ethanol) , l'alimentation humaine ou animale (e.g. oméga 3), la cosmétique et la pharmacie. Certains de ces composés chimiques peuvent être utilisés pour fabriquer des biocarburants tels que le bioéthanol, le biodiesel, et divers « designer fuels » qui peuvent être directement substitués, de manière partielle ou totale, à l'essence, au diesel ou au jet fuel utilisés dans les transports automobiles, ferroviaires, aquatiques et maritimes.
Les algues peuvent également, par divers méthodes connues de l'homme de métier, servir à la production de biogaz, de biohydrogène ou de bioélectricité
Des bioraffineries construites autour de la culture d'algues offrent ainsi plusieurs avantages importants dans les domaines de la chimie, de l'énergie, de l'environnement, de l'alimentation et de la santé par rapport aux procédés actuels reposant sur des substrats d'origine fossile.
Il y a trois façons de cultiver les algues : en absence de lumière, en présence de lumière artificielle ou en présence de lumière solaire.
Culture d' algues en hétérotrophie
La culture d'algues en absence de lumière s'apparente à de la fermentation et s'appuie donc sur des appareillages et technologies adaptées d' industries de fermentation bien établies. Cette approche présente toutefois deux inconvénients majeurs . Tout d'abord, qualitativement, on estime qu'une faible minorité, de l'ordre de 1 à 10 % des algues naturelles peuvent être adaptées à un tel type de culture hétérotrophique .
Deuxièmement, d'un point de vue quantitatif, le substrat typiquement utilisé pour la fermentation est du sucre. Or la production mondiale de sucre annuelle, pour tous usages notamment l'alimentation et la production d'ethanol, est de 170 millions de tonnes par an soit, à 17 kJ par g, une quantité d'énergie de l'ordre de 2.9 10A18 Joules. La consommation mondiale d'énergie valant 500 exajoules (5 10A20 Joules), et sans même tenir compte des rendements non unitaires de conversion, on voit donc que cette approche hétérotrophique n'est pas en mesure de se substituer, à large échelle, aux combustibles fossiles utilisés pour produire la grande majorité de l'énergie actuellement utilisée pour les activités et productions humaines. La consommation d'énergie mondiale peut également être évaluée en tonnes d'équivalent pétrole, à 12.2 10A9 tonnes (à 45 kJ par g), ce qui encore une fois est sans commune mesure avec la totalité de sucre produit dans le monde annuellement, à 0.17 10A9 tonnes (avec une densité énergétique de seulement 17 kJ par g) . Enfin, la culture d' algues en hétérotrophie suppose une étape de photosynthèse préalable permettant la fixation de matière organique (sucres ou éventuellement autres substrats) par des végétaux terrestres grâce aux végétaux terrestres. Cette étape suppose des quantités importantes d'engrais, d'eau, d'énergie, de travail humain et de sols et son bilan environnemental est très imparfait.
Culture d'algues en présence de lumière artificielle
Les microalgues sont cultivées, au laboratoire, en présence de lumière artificielle. On peut imaginer cultiver des microalgues à grande échelle en utilisant divers dispositifs intégrant des sources de lumière artificielle. Lorsque l'objet de la culture d'algue est la production de biocarburant, il est facile de voir cependant, que le coût de cette approche est prohibitif. On se borne ici à considérer le coût marginal de l'électricité nécessaire à l'éclairage, sans prendre en compte ni les frais d' installation et de fonctionnement du dispositif de culture ni le prix des sources lumineuses et de leur remplacement. On prend un coût d'électricité peu élevé, à 5 cts / kWh, un rendement de la source de lumière artificielle de 20 %, un rendement global de la photosynthèse de 25 % avec cette source de lumière (il faut huit photons pour fixer une molécule de CH2O) , un contenu en huile des algues de 50 % (en masse) . On considère que l'huile extraite des algues a une densité énergétique proche de celle du diesel, soit 12 kWh / kg. Produire 1 kg d'huile implique, dans ces conditions tout à fait optimistes, un coût marginal en électricité de
Coût = 12 * 0.05 / (0.20*0.25*0.5) = 24 € / kg
Soit plus de 20 fois le prix jamais atteint par le pétrole et ceci sans même prendre en compte tous les autres facteurs de coûts fixes et variables, qui sont naturellement très significatifs.
On observe ainsi que les cultures d'algues en présence de lumière artificielle sont réservées à la production de composés à haute valeur ajoutée, pas à la production de composés alimentaires, chimiques ou énergétiques de base.
Cultures d' algues en présence de lumière solaire
La puissance moyenne annuelle du rayonnement solaire reçu par la surface terrestre est d'environ 90 000 TW. La consommation humaine d'énergie équivaut à une puissance moyenne de l'ordre de 18 TW soit 5 000 fois moins. Il est ainsi évident que le rayonnement solaire constitue une source d'énergie primaire renouvelable qui est largement assez abondante pour répondre à l'ensemble des besoins énergétiques de l'homme. La photosynthèse permet, avec des rendements instantanés mesurés entre 0.02 et 10 %, et plus généralement des rendements moyens observés entre 0.1 % et 2 % pour les plantes terrestres, de convertir directement l'énergie solaire en carburants et bioproduits, et donc en source d'énergie ou en composé chimique de bonne valeur car stockable et modifiable, ce que ne permettent pas les approches de type solaire thermique ou photovoltaïque, qui produisent simplement de l'électricité et de la chaleur, qui sont difficilement stockables et doivent donc être utilisées immédiatement au moment de leur production, qui ne correspond pas aux pics de consommation .
Dans le cas de la production d'huiles végétales par photosynthèse, on sait que les algues offrent des rendements surfaciques qui sont beaucoup plus élevés que les cultures terrestres traditionnelles comme le colza ou même l'huile de palme (entre 5 et 100 fois) . En outre les algues n'ont pas besoin de sols agricoles, ce qui élimine les problèmes, mis en avant pour les biocarburants actuels, de compétition avec l'alimentation et d'impact environnemental négatif de modifications de l'usage des sols et de pratiques de culture telles que la déforestation . Les algues peuvent enfin permettre de recycler directement du dioxyde de carbone concentré et des eaux usées.
Ainsi, divers auteurs calculent qu'une surface non agricole (terrestre ou marine) d'une taille de l'ordre d'un petit pays européen pourrait suffire à assurer la production d'une grande partie de l'énergie et des composés chimiques et alimentaires utilisés par l'homme.
Dans un récent article (K. M. Weyer et al. « Theoretical maximum of algae oil cultivation », Bioenerg. Res. (2009) DOI 10.1007/sl2155-009-9046-x) , les auteurs calculent pour la première fois de manière détaillée, le rendement surfacique annuel maximal qui peut être obtenu en cultivant des algues éclairées par de la lumière solaire. Ils parviennent à un résultat de l'ordre de 50 000 L / ha / an (maximum « pratique ») à 350 000 L / ha / an (maximum « théorique » pour lequel tous les rendements sont fixés à 100 %) . Dans la discussion des différents facteurs contribuant au calcul du rendement, les auteurs en isolent trois (termes 4, 5 et 8) - l'efficacité de transmission des photons, l'efficacité d'utilisation des photons et l'efficacité d'accumulation de la biomasse - qui sont, selon eux, susceptibles d'être améliorés. Les améliorations proposées, rejoignant ainsi celles de nombreux autres auteurs du domaine, concernent la géométrie du système de culture, pour favoriser la distribution de la lumière et le choix des algues, notamment en fonction de leur tolérance des algues à des niveaux élevés d' intensité lumineuse .
Ces auteurs prennent pour acquis le deuxième terme du calcul (juste après le premier terme qui est l'énergie solaire reçue) , le PAR (photosynthetically active radiation) , qui est la portion du spectre solaire utilisable pour la photosynthèse, conventionnellement prise comme les longueurs d'ondes comprises entre 400 nm et 700 nm soit 45.8 % de l'énergie solaire reçue à la surface.
Il apparaît que la culture d'algues en lumière naturelle (solaire) est la seule technique présentant un potentiel de développement à grande échelle dans des conditions économiques et environnementales acceptables.
Cependant, cette technique présente une limitation liée à son rendement .
Le demandeur a montré que les dispositifs de l'art antérieur travaillaient avec une utilisation sous optimale de la lumière solaire et qu'il est possible d'augmenter significativement le rendement. Ainsi, l'invention concerne une méthode et un dispositif qui améliorent le rendement de culture des algues. Cette amélioration de rendement permet d'améliorer la viabilité économique et le bilan environnemental (analyse de cycle de vie) , notamment dans le cadre des bioraffineries.
Résumé de l'invention
Selon un premier aspect, l'invention concerne un dispositif pour la culture d'algues en lumière naturelle, comprenant une enceinte avec un milieu de culture et les algues à cultiver, caractérisé en ce que le dispositif comprend en outre un substrat agencé pour recevoir le rayonnement solaire en vue d'une photoconversion dudit rayonnement solaire, le substrat comprenant au moins un composé luminescent permettant de réémettre un rayonnement dont le spectre est adapté à l'optimisation d'un paramètre biologique d' intérêt résultant de la photosynthèse desdites algues .
Selon une première variante, le substrat est interposé entre le rayonnement solaire incident et l'enceinte.
Selon une deuxième variante, l'enceinte est formée d'un bassin de culture, recouvert au moins partiellement par le substrat.
Selon une troisième variante, le substrat constitue une paroi de l'enceinte.
Avantageusement, l'enceinte est formée par un circuit de tubes dans lequel circule le milieu de culture contenant les algues en suspension.
Dans un mode de réalisation, l'enceinte est formée par un sac souple formant le substrat, réalisé en un matériau sensiblement transparent dopé avec au moins un composé luminescent .
Selon un autre mode de réalisation, le substrat comprend des particules mises en suspension dans le milieu de culture, le (s) composé (s) luminescent (s) étant incorporé (s) dans les particules.
Préférentiellement, le substrat comprend au moins 2 composés luminescents.
Dans un mode de réalisation préféré, d'au moins un desdits composés luminescents recouvre au moins partiellement le spectre d'émission d'au moins un des dits autres composés luminescents .
Avantageusement, au moins un desdits composés luminescents présente un spectre d' absorption couvrant la bande 300 - 360 nm et un spectre d'émission couvrant la bande 340 - 400 nm.
Selon une variante, au moins un desdits composés luminescents présente une émission selon un mécanisme anti- Stokes.
Selon une variante, le dispositif intègre une source de CO2.
Selon une variante, le dispositif comprend en outre un concentrateur de l'énergie solaire incidente.
Dans un mode de réalisation particulier, le ou lesdits composés luminescents présentent des longueurs d' onde d'absorption ou d'émission qui favorisent la photosynthèse des algues .
Selon un second aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif de culture d'algues selon le premier aspect comprenant : - l'exposition préalable desdites algues à cultiver à différentes longueurs d'onde ;
- la mesure pour chacune desdites longueurs d' onde d'un paramètre biologique d'intérêt et la détermination pour ledit paramètre d'une ou plusieurs longueurs d'onde adaptées;
la sélection d'un ou plusieurs composés luminescents permettant la photoconversion de la lumière solaire auxdites longueurs d' onde adaptées ;
la réalisation d'un substrat contenant le ou lesdits composés luminescents sélectionnés.
Dans une variante, ledit paramètre biologique d'intérêt est la vitesse de croissance des algues.
Dans une autre variante, le paramètre biologique d'intérêt est la production d'huile par les algues.
Dans une autre variante, ledit paramètre biologique d'intérêt est la production d'un pigment donné par les algues.
Selon un troisième aspect, l'invention concerne un procédé pour la culture d'algues en lumière naturelle, comprenant la mise en culture des algues dans une enceinte avec un milieu de culture, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la photoconversion de la lumière solaire au moyen d'un substrat comprenant au moins un composé luminescent permettant de réémettre un rayonnement dont le spectre est adapté aux longueurs d'onde de photosynthèse desdites algues.
Par rapport aux calculs de K. M. Weyer et al. cités plus haut, le procédé selon l'invention conduit à une augmentation de 20 % à 100 % ou plus des maximaux tant théoriques que pratiques, pour une augmentation limitée des coûts en capital et opérationnel et apporte donc un avantage économique majeur. Cette technique est compatible avec de nombreux systèmes de culture et cumulable avec d'autres améliorations plus classiques proposées par divers auteurs, notamment l'utilisation de souches d'algues sélectionnées ou génétiquement modifiées.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures qui représentent :
- la figure 1, un substrat luminescent intégré à la couverture d'un bassin de culture ;
- La figure 2, un substrat luminescent intégré aux parois d'un photobioréacteur ;
- La figure 3, un substrat luminescent dispersé à l'intérieur du milieu de culture.
Description détaillée
L' invention concerne des méthodes et dispositifs de modification de la lumière solaire permettant de s'affranchir de la limite du PAR (photosynthetically active radiation) telle qu'elle que présentée ci-avant.
La déposante a montré que c'est précisément en augmentant la valeur du PAR au-delà des 45.8 % conventionnellement admis par tous les auteurs, ce qui n'est pas suggéré dans la littérature, que le procédé selon l'invention permet, avec une très grande généralité et adaptabilité et pour un coût associé limité, d'améliorer le rendement des cultures d' algues au-delà du maximum actuellement admis par les spécialistes. L'invention est applicable à un grand nombre de systèmes de culture d'algues dont les photobioréacteurs et les systèmes plus simples de type bassin. De fait, la notion de PAR est une simplification car certaines longueurs d'ondes du PAR - comme le vert (intervalle autour de 550 nm) pour les algues vertes - ne conduisent pas à une photosynthèse efficace. Le PAR est donc une majoration de la fraction du rayonnement solaire qui est effectivement convertie. Le procédé selon l'invention permet de modifier la lumière solaire afin de limiter ces longueurs d'ondes du PAR peu efficaces au profit de longueurs d'ondes plus efficaces.
La déposante a montré qu'en modifiant spectralement et de manière fine la lumière solaire incidente pour l'adapter aux besoins photosynthétiques de l'algue ou des algues cultivées, le procédé selon l'invention apporte une amélioration originale et quantitativement importante applicable à la quasi-totalité des procédés de culture d'algues à partir de la lumière solaire décrits ou envisagés dans la littérature.
L'invention concerne, selon son acception la plus générale un dispositif pour la culture d'algues en lumière naturelle, comprenant une enceinte avec un milieu de culture et les algues à cultiver, caractérisé en ce que le dispositif comprend en outre un substrat agencé pour recevoir le rayonnement solaire en vue d'une photoconversion dudit rayonnement solaire, le substrat comprenant au moins un composé luminescent permettant de réémettre un rayonnement dont le spectre est adapté à l'optimisation d'un paramètre biologique d' intérêt résultant de la photosynthèse desdites algues .
Les composés luminescents utilisés sont de préférence des molécules organiques fluorescentes et plus préférentiellement des molécules de type « dye laser ». On choisit des molécules présentant un rendement quantique élevé
(supérieur à 0.6, de préférence supérieur à 0.9), un coût réduit et une bonne stabilité à l'exposition UV-visible (plusieurs mois, de préférence plusieurs années) .
Les composés luminescents utilisés peuvent inclure des terres rares comme des sels de terbium ou d'europium.
Les composés luminescents utilisés peuvent inclure des composés inorganiques de type quantum dots.
Les composés luminescents utilisés peuvent être choisis au sein des groupes de composés suivants :
Groupe A - émission vers 340 nm
PPO diphenyloxazole (Lambda Physic Lambdachrome LC3700)
- POPOP (Lambdachrome LC4230)
- DPS (Lambdachrome LC4090)
- QUI P-quinqaphenyl (Lambdachrome LC3690)
Groupe B - émission vers 400 - 460 nm
- 8S OB thiophenediylbis benzoxazole
- Coumarin (plusieurs références Lambdachrome;
Groupe C - émission vers 560nm émission
- hostasole 3G naphtalimide (Clariant)
- lumogen 083 perylene (BASF)
- rhodamine 110 (Lambdachrome)
Groupe D - émission vers 580-640nm - hostazole GG thioxanthene benzanthione (Clariant)
- lumogen 305 peylene (BASF)
-rhodamine 6G ethylaminoxanthene benzoique (Lambdachrome)
Groupe E - émission vers 640-680nm
- cretsyl violet diaminobenzole
- Sublforhodamine B (Lambdachrome LC6200'
Groupe F - 700-1000nm
- rhodamine 800 (Sigma)
- Pyridine 2 (Lambdachrome LC7600)
- DOTC - HITC (Lambdachrome LC7880;
- Styril 9 (Lambdachrome LC8400)
En plus des molécules citées, de nombreuses molécules de type « laser dyes » connues de l'homme de métier et notamment plusieurs molécules nommées Coumarin ou Rhodamine (divers fabricants) , ainsi que les molécules de la série des Lumogen Dyes (BASF / Color Flex) sont utilisables.
De préférence, on utilise une combinaison de plusieurs substances luminescentes qui comprend une substance du groupe A telle que le PPO ou bien deux substances du groupe A comme le PPO et l'OB, ainsi qu'une substance de chacun des 1 à 3 groupes suivantes (B, C, D, E ou F) . Les concentrations utilisées varient de préférence entre 0.1 et 1000 ppm, de préférence entre 1 et 100 ppm.
De préférence, on utilise un système d'absorption - émission en série où la longueur d'onde d'émission maximale d'une substance correspond à la longueur d'onde d'absorption maximale de la substance suivante de la série. On facilite ainsi des phénomènes de FRET (fluorescence résonance energy transfer) qui sont favorables d'un point de vue énergétique. Par exemple on utilise une substance du groupe A, une substance du groupe B et une substance du groupe C.
Suivant les concentrations utilisées et suivant les caractéristiques physico-chimiques de la matrice dans laquelle les substances luminescentes sont intégrées, on peut observer l'apparition de phénomènes de type excimères (« excited dimers ») , qui modifient, de manière avantageuse, les propriétés optiques des substances prises à l'état de monomères. Les concentrations favorisant l'apparition d' excimères dans une matrice données sont recherchées et peuvent être déterminées empiriquement.
De préférence, lorsqu'on utilise plusieurs substances luminescentes, les concentrations employées diminuent lorsque la longueur d'onde d'émission augmente. Cette règle de concentration non triviale s'inspire de ce qui est observé dans les phycobillisomes et elle permet de limiter les phénomènes d'auto-absorption.
Le substrat dans lequel sont intégrées les substances luminescentes est un plastique, par exemple un plastique acrylique comme le polymethylemethacrylate (PMMA) ou encore de l'ethylene vinyl acétate (EVA), de l'Apoliah (Arkema) , du polyvinylidene fluoride (PVDF) , du polyethylene (PE) , du polycarbonate (PC) . Selon une variante, les substances luminescentes sont intégrées au sein d'une résine ou vernis qui est étalé sur des plaques ou des tubes de verre.
Selon une variante, on intègre dans le substrat des particules de TiO2 et/ou d'oxyde d'aluminium à 0.1-0.5 % massique, qui jouent le rôle de diffuseur de lumière et réflecteur UV.
Dans un mode de réalisation particulier, les substances luminescentes sont incorporées au sein de billes millimétriques de polystyrène, de PMMA ou d'un autre polymère, qui sont mises en suspension dans le milieu de culture. Avantageusement, ces billes permettent également de nettoyer les parois du récipient contenant la culture et d'éviter leur encrassement. Les billes constituent ainsi une source de lumière interne au milieu de culture et permettent de lever une limitation des dispositifs de l'art antérieur concernant la répartition de la lumière au sein du volume de culture.
Dans une variante, les dites billes millimétriques sont rendues phosphorescentes par l'emploi de substances dites à longue rémanence (>10~ s) . Les billes phosphorescentes, qui circulent dans le milieu de culture, ont été préalablement éclairées soit par la lumière solaire, soit par un flash UV ou une autre source de lumière artificielle monochromatique à haute énergie. De telles billes peuvent être utilisées le jour comme la nuit. Elles peuvent comprendre des cristaux de ZnS avec 10-1000 ppm de dopants cuivre ou argent.
Dans une variante, l'une des substances luminescentes utilisées est choisie par l'homme de métier de façon à convertir, par un mécanisme de type anti-Stokes, une partie du rayonnement infrarouge (700-2000 nm) en rayonnement visible, de préférence en rayonnement rouge (600-700 nm) . Des avantages complémentaires apportés par le procédé selon l'invention sont décrits de façon non limitative ci- dessous :
Avantage lié à la création d'une lumière diffuse
L'utilisation de substances luminescentes selon l'invention conduit à une réémission de la lumière solaire incidente dans toutes les directions de l'espace. En pratique une substance luminescente donnée réémet la lumière incidente de manière anisotrope (avec une distribution en forme de « doughnut ») mais l'orientation de ladite substance au sein du matériau transformant la lumière, qui est elle-même aléatoire, conduit à une réémission statistiquement isotrope à 4pi stéradians. Ceci permet de transformer la lumière solaire directe incidente en une lumière diffuse. La lumière diffuse ainsi obtenue est favorable à la pousse des algues, car elle limite les phénomènes de photoinhibition.
Par ailleurs le procédé selon l'invention favorise la pousse des algues à la fois lorsqu'elles sont éclairées par une lumière solaire directe et lorsque la lumière qui les éclaire est elle-même diffuse ou rémanente, ce qui est le cas lorsque les conditions météorologiques incluent la présence de nuages et/ou de vapeur d'eau.
Avantage lié à la limitation des rayonnements ultraviolets
Le procédé selon l'invention absorbe une partie de la lumière UV du soleil (260-400 nm) qui est réémise dans des longueurs d'onde du visible (400 nm et plus) . Ceci permet de limiter l'exposition des algues aux UV dont l'homme de métier sait qu'elle peut limiter la pousse des dites algues, voire, dans certains cas, conduire à des mutations qui peuvent rendre génétiquement inhomogène et finalement déstabiliser l'espèce cultivée . Avantages thermiques
La modification de la lumière solaire réalisée par le procédé selon l'invention conduit à une modification avantageuse du profil de température auquel sont soumis les cultures d'algues. L'effet dépend du dispositif de culture choisi (photobioréacteur, serre, sac ou bassin ouvert) mais il combine, avec une plus ou moins grande intensité, d'une part une diminution de la valeur moyenne et du maximum de la température le jour et d'autre part une augmentation de la valeur moyenne et du minimum de la température la nuit. Ces deux effets thermiques augmentent la productivité moyenne des cultures d'algues. Ils permettent en outre de limiter l'occurrence de cas de températures extrêmes défavorables pouvant conduire à l'extinction de cultures d'algues ayant été exposées à des températures anormalement chaudes ou anormalement froides.
Application au cas des algues vertes, rouges, brunes et des cyanobactéries
Le procédé selon l'invention permet de modifier la lumière solaire pour l'adapter aux besoins des diverses espèces d'algues.
Ainsi les algues vertes disposent d'un appareil photosynthétique qui rend la photosynthèse particulièrement efficace en présence d'un éclairement bleu (440 nm) et rouge (680 nm) . Le procédé selon l'invention permet, en utilisant une combinaison de substances luminescentes appropriées, de modifier la lumière solaire naturelle dont le spectre présente un maximum unique vers 550 nm pour obtenir une lumière dont le spectre présente deux maxima, le premier vers 440 nm et le second vers 680 nm. On utilise par exemple une substance du groupe A, une substance du groupe B et une substance du groupe D. Contrairement aux algues vertes, les algues rouges utilisent mal la lumière bleu et la lumière rouge mais se reproduisent avec une efficacité maximale lorsqu'elles sont éclairées par de la lumière verte, autour de 560 nm. Le procédé selon l'invention permet, en utilisant une combinaison de substances luminescentes appropriées, de modifier le spectre solaire pour augmenter l'intensité de son maximum vers 550 nm et diminuer l'intensité d'une ou plusieurs autres régions du spectre. On utilise par exemple une substance du groupe A, une substance du groupe B et une substance du groupe C.
Contrairement aux algues, les cyanobactéries n'ont pas de chloroplastes . Ces cellules procaryotes disposent d'un appareil photosynthétique et d'un équipement en pigment particulier, ce qui les conduit à croître de manière optimale lorsqu'elles sont éclairées par une lumière enrichie en longueurs d'ondes comprises entre 580 et 650 nm. Le procédé selon l'invention permet d'enrichir la lumière solaire entre 580 et 650 nm par conversion des longueurs d'ondes inférieures à 580 nm (et/ou des longueurs d'ondes supérieurs à 650 nm) . On utilise par exemple une substance du groupe A, une substance du groupe B, une substance du groupe E et une substance du groupe F.
Il est cependant important de noter que la relation entre équipement en pigments photosynthétiques ou pigments accessoires, spectre d'absorption de la culture et spectre d'action photosynthétique n'est pas toujours simple et bien comprise (il arrive qu'une partie des gammes de longueurs d'ondes dans lesquelles les pigments isolés et la culture d' algue absorbent efficacement ne correspondent pas à un rendement photosynthétique élevé) . Une mesure empirique du spectre d' action est donc généralement préférable et présentée ci-dessous . Un mode de réalisation privilégié est décrit ci-dessous permettant d'augmenter la productivité de la culture d'une espèce d'algue donnée.
Au-delà des caractéristiques générales indiquées plus haut, il peut être avantageux en pratique de mesurer le spectre d'action d'une espèce particulière.
Etape 0 - On choisit une espèce d'algue donnée, isolée d'un habitat naturel ou génétiquement modifiée, qu'on souhaite cultiver .
Etape 1 - On utilise une source de lumière blanche à large spectre et un monochromateur ou bien une lumière filtrée par divers filtres interférentiels et ajustée en puissance pour que chaque couleur transmise par le filtre ait la même intensité, ou bien, préférentiellement, on utilise une source de lumière colorée, par exemple des LEDs bleu, verte, rouge, etc. d'intensité identiques. On soumet ainsi la culture d'algue à différentes gammes de longueurs d'ondes.
Etape 2 - On mesure, pour chaque condition d' éclairement, l'activité photosynthétique des algues (par exemple en mesurant en continu l'oxygène produit) et/ou le dioxyde de carbone consommé) et on en déduit un spectre de la productivité moyenne (g/L/jour) en fonction de la longueur d'onde de la lumière incident.
Etape 3 - On sélectionne une combinaison de substances luminescentes afin de modifier la lumière solaire, dont le spectre est par ailleurs aisé à établir, pour la concentrer dans les longueurs d' ondes dont on vient d' observer empiriquement qu'elles conduisaient à une productivité maximale des cultures d'algues. Etape 4 - On intègre des substances luminescentes dont la composition vient d'être déterminée à l'étape 3 au sein d'un mélange maître.
Etape 5 - On mélange ledit mélange maître, un monomère, et d'éventuels additifs connus de l'homme de métier pour fabriquer un matériau plastique.
Etape 6- On extrude ledit matériau plastique dopé et on réalise ainsi des plaques et des tubes ou des films à partir desquels on construit un photobioréacteur ou un élément de couverture qui accélère la croissance des algues choisies à l'étape 0.
Application à l'augmentation de la production d'un composé donné par une espèce d' algue
Les algues peuvent permettre la production de divers composés d'intérêt comme des pigments. On peut empiriquement, en réalisant des cultures d'algue contrôlées pour divers intervalles de longueurs d'ondes (par exemple avec douze LEDs de même puissance éclairant dans dix intervalles de longueur d'onde compris entre 350 et 950 nm : 350-400nm, 400-450nm, 450-500nm etc.), identifier un intervalle optimal de longueur d'onde qui conduit à l'obtention d'une plus grande quantité du composé d'intérêt. On adapte ensuite les compositions en substances luminescentes utilisées dans le procédé selon l'invention afin de modifier la lumière solaire pour la concentrer dans l'intervalle optimal.
Application à la production d'huile
Certaines espèces d' algues peuvent contenir une quantité importante d'huile, jusqu'à 50 % ou plus de leur poids sec. Cependant, les hommes du métier ont observé qu'en général, les conditions qui permettent à des algues de croître à une vitesse maximale sont différentes des conditions qui leur permettent à chaque cellule d'accumuler une grande quantité de lipides. Souvent, on modifie donc, au moment opportun de la production, les conditions de culture d'une culture d'algues qui croît rapidement afin de favoriser, dans un deuxième temps, l'accumulation de lipides. Divers types de stress sont possibles, notamment un stress par privation d'azote. Le procédé selon l'invention offre la possibilité d'utiliser une modification de la lumière pour générer un stress favorisant la production de lipides. La nature du spectre Soil adapté à la génération dudit stress peut être déterminé en laboratoire par une analyse de la réponse (taux de lipides par gramme de matière sèche) d'une culture de l'algue d'intérêt exposée à différentes longueurs d'ondes de lumière artificielle. On peut ensuite soumettre, au moment opportun de la production, une culture à large échelle de l'algue d'intérêt, à une lumière solaire modifiée par le procédé selon l'invention afin d'obtenir une composition théorique proche rendre proche du spectre Soil idéal préalablement déterminé. Ceci permet à ladite culture d'accumuler une grande quantité de lipides.
Systèmes de culture hybrides
Le procédé suivant l'invention est applicable à des systèmes de culture hybrides combinant les avantages des photobioréacteurs (environnement contrôlé, haute productivité) et des bassins (coût plus réduit) . Ainsi on peut dans un premier temps réaliser une pré-culture d'algue dans un photobioréacteurs équipé, ou non, de la technologie AlgoSun puis transférer cette préculture dans un bassin équipé de la technologie AlgoSun. Des portions différentes du réacteur peuvent comporter des matériaux dopés différemment.
Les exemples ci-dessous illustrent de façon non limitative des exemples de réalisation du dispositif selon 1' invention . Exemple 1 - Photobioréacteurs tubulaires
Les algues sont cultivées dans un dispositif comprenant un réseau de tubes de plastique de diamètre compris entre 5 et 20 cm et d'une longueur totale pouvant atteindre plusieurs km. Une vue en coupe d'une partie du dispositif est représentée de façon schématique sur la figure 2. Des algues 20 sont mises en culture au sein d'un photobioréacteur tubulaire éclairé par la lumière naturelle 30. La paroi 15 du photobioréacteur reçoit la lumière solaire et est composée d'un matériau qui comprend au moins en son sein un composé luminescent permettant de réémettre un rayonnement dont le spectre est adapté aux algues. Le dispositif intègre des pompes et un système d'injection de dioxyde de carbone concentré. Le plastique des tubes est dopé, avant extrusion, par une combinaison de substances luminescentes choisies de manière à modifier la lumière solaire en fonction des besoins physiologique de l'espèce d'algue considérée, tels que déterminés préalablement expérimentalement. Le polymethylmethacrylate (PMMA) est un exemple de plastique acrylique qui offre d'excellentes propriétés optiques et permet une bonne intégration des substances luminescentes et peut être utilisé pour la fabrication des tubes. On utilise une épaisseur de PMMA comprise entre 1 et 5 mm. Pour des algues vertes, on utilise par exemple la formule suivante pour des plaques de PMMA de 3mm, pour 1 kg de MMA :
- 0,44 g de PPO (Lambdachrome)
- 0,22 g d'OB
- 0,06 g de rhodamine 800 (Sigma)
- 0,12 g de cretsyl violet (Clariant) .
Exemple 2 - Sacs Une solution moins onéreuse pour cultiver des algues consiste à utiliser des sacs. Ces sacs peuvent être disposés en plein air, dans une zone close ou encore flotter sur la mer (on utilise alors de préférence des sacs semi-perméables qui peuvent laisser sortir de l'eau et échanger des nutriments avec l'eau de mer mais retiennent les algues) . Le plastique composant les sacs peut être un polymère de type polyethylène- ethylène vinyl acétate (PE-EVA) , Apoliah (Arkema) ou encore du PMMA. L'épaisseur des sacs est comprise entre 100 μm et 500μm. Le plastique est dopé, avant extrusion, par une combinaison de substances luminescentes choisies de manière à modifier la lumière solaire en fonction des besoins physiologiques de l'espèce d'algue considérée, tels que déterminés préalablement expérimentalement .
Exemple 3 - Abris
L'ensemble du dispositif de culture des algues, qui peut inclure des tubes, des cuves ou des panneaux, est intégré au sein d'une structure de type « abris » clos ou semi-clos qui joue un rôle positif en termes de régulation thermique, lumineuse, protection vis-à-vis de parasites ou prédateurs et des intempéries. Les parois de la serre sont composées de verre dont la face interne a été enduite d'une résine dopée par une combinaison de substances luminescentes choisies de manière à modifier la lumière solaire en fonction des besoins physiologique de l'espèce d'algue considérée, tels que déterminés préalablement expérimentalement. Alternativement, le verre enduit peut être remplacé par des plaques de PMMA dopées .
Exemple 4 - Film
Les algues sont cultivées dans un dispositif en plein air de type bassin hypodrome (« raceway ») ou de type tranchée («trough ») . Une vue en coupe d'une partie d'un tel dispositif est représentée sur la figure 1. Dans la terre 10, on creuse une tranchée 11 jouant le rôle d'enceinte éclairée par la lumière naturelle 30 au sein de laquelle des algues 20 sont mises en suspension dans un milieu aqueux de surface supérieure 12. La lumière solaire est reçue et modifiée par un film souple ou une plaque rigide 40 qui comprend au moins un composé luminescent permettant de réémettre un rayonnement dont le spectre est adapté aux algues.
Les éléments de bassin ou les tranchées sont recouverts par le film souple ou légèrement rigide, par exemple en plastique dopé par une combinaison de substance luminescentes choisies de manière à modifier la lumière solaire en fonction des besoins physiologique de l'espèce d'algue considérée, tels que déterminés préalablement expérimentalement. Le film peut être composé de PMMA, PE-EVA ou PVDF.
Exemple 5 - Billes millimétriques
La figure 3 représente une vue en coupe d'une partie d'un dispositif selon une variante. Un système clos de type photobioréacteur tubulaire 16 est éclairé par la lumière naturelle 30 pour permettre la culture d'algues 20. On dispose, au sein du milieu de culture, des particules 45 contenant au moins un composé luminescent qui émet un rayonnement dont le spectre est adapté aux algues.
Les particules sont par exemple formées de billes d'un diamètre compris entre 1 mm et 5 mm. Ces billes peuvent être des billes classiquement utilisées pour nettoyer la paroi des tubes et éviter la formation d'une pellicule d'algues adhérente à la surface des tubes et qui finirait par empêcher la pénétration de la lumière. On donne, par le procédé selon l'invention, une nouvelle fonction aux dites billes, qui sont dopées par des substances luminescentes de rémanence courte et/ou longue (substances phosphorescentes) ce dernier cas permettant de travailler également en toute obscurité. Ainsi les billes, qui sont constamment agitées par le mouvement imposé au fluide du photobioréacteur, réalisent, au sein même du milieu de culture, une adaptation spectrale et elles constituent une source de lumière diffuse interne qui favorise la pousse des algues dans tout le volume aqueux. Les billes peuvent être fabriquées à partir de polymethylmethacrylate (PMMA), polypropylene, nylon, PVC ou polyvinylacetate . On peut utiliser des billes de polystyrène ou des billes de polymethlmethacrylate (PMMA) . On peut utiliser un agent porophore afin de diminuer la densité des billes tout en créant des vacuoles de piégeage ou concentration de photons .
Bien que décrite à travers un certain nombre d'exemples de réalisation détaillés, le dispositif de détection et la méthode selon l'invention comprend différentes variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme de l'art, étant entendu que ces différentes variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention, telle que définie par les revendications qui suivent.

Claims

Revendications
1 - Dispositif pour la culture d' algues en lumière naturelle, comprenant une enceinte avec un milieu de culture et les algues à cultiver, caractérisé en ce que le dispositif comprend en outre un substrat agencé pour recevoir le rayonnement solaire en vue d' une photoconversion dudit rayonnement solaire, le substrat comprenant au moins un composé luminescent permettant de réémettre un rayonnement dont le spectre est adapté à l'optimisation d'un paramètre biologique d' intérêt résultant de la photosynthèse desdites algues .
2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit substrat est interposé entre le rayonnement solaire incident et l'enceinte.
3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'enceinte est formée d'un bassin de culture, recouvert au moins partiellement par ledit substrat.
4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit substrat constitue une paroi de 1' enceinte.
5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'enceinte est formée par un circuit de tubes dans lequel circule le milieu de culture et les algues en suspension.
6 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'enceinte est formée par un sac souple formant le substrat, réalisé en un matériau sensiblement transparent dopé avec le (s) dit (s) composé (s) luminescent (s) .
7 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat comprend des particules
FEUILLE RECTIFIÉE (RÈGLE 91) ISA/EP mises en suspension dans le milieu de culture, le composé luminescent étant incorporé dans lesdites particules.
8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le substrat comprend au moins 2 composés luminescents.
9 - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le spectre d' absorption d' au moins un desdits composés luminescents recouvre au moins partiellement le spectre d'émission d'au moins un des dits autres composés luminescents .
10 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un desdits composés luminescents présente un spectre d'absorption couvrant la bande 300 - 360 nm et un spectre d'émission couvrant la bande 340 - 400 nm.
11 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un desdits composés luminescents présente une émission selon un mécanisme ahti-Stokes.
12 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu' il comprend en outre une source de CO2.
13 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu' il comprend en outre un concentrateur de l'énergie solaire incidente.
14 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou lesdits composés luminescents présentent des longueurs d'onde d'absorption ou d'émission favorisant la photosynthèse des algues .
FEUILLE RECTIFIÉE (RÈGLE 91) ISA/EP 15 - Procédé de fabrication d'un dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant :
- l'exposition préalable desdites algues à cultiver à différentes longueurs d'onde ;
- la mesure pour chacune desdites longueurs d' onde d'un paramètre biologique d'intérêt et la détermination pour ledit paramètre d'une ou plusieurs longueurs d'onde adaptées;
la sélection d'un ou plusieurs composés luminescents permettant la photoconversion de la lumière solaire auxdites longueurs d'onde adaptées ;
- la réalisation dudit substrat avec le ou lesdits composés luminescents sélectionnés.
16 - Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que ledit paramètre biologique d' intérêt est la vitesse de croissance des algues.
17 - Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que ledit paramètre biologique d' intérêt est la production d'huile par les algues.
18 - Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que ledit paramètre biologique d' intérêt est la production d'un pigment donné par les algues.
19- Procédé pour la culture d'algues en lumière naturelle, comprenant la mise en culture des algues dans une enceinte avec un milieu de culture, caractérisé en ce qu' il comprend en outre la photoconversion de la lumière solaire au moyen d'un substrat comprenant au moins un composé luminescent permettant de réémettre un rayonnement dont le spectre est adapté aux longueurs d'onde de photosynthèse desdites algues.
FEUILLE RECTIFIÉE (RÈGLE 91) ISA/EP
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