FR2643385A1 - Biophotoreacteur a materiel photosynthetique immobilise - Google Patents

Abstract

Ce biophotoréacteur 24 pour l'exploitation d'une activité photosynthétique utilisant un biocatalyseur immobilisé dans un gel est caractérisé par le fait que sa cuve 29 comporte au moins une cavité destinée à recevoir un élément d'éclairage 1, avantageusement par fibres optiques, isolé du contenu de ladite cuve 29, ladite cavité étant délimitée latéralement par une zone de paroi transparente 16 autour de laquelle est disposée une couche ou membrane biocatalytique 23 constituée par du gel renfermant le biocatalyseur. La couche 23 est confinée entre la paroi transparente interne 16 et une structure porteuse externe, poreuse ou perforée, constituée par un treillis à larges mailles 17, et/ou une membrane microporeuse 34. L'agencement de biocatalyseur ainsi proposé permet d'obtenir une activité maximale du biocatalyseur.

Description

La présente invention concerne un biophotoréacteur à matériel photosynthétique immobilisé.

On désigne ici par "biophotoréacteur", un appareillage dans lequel est conduite une "biophoto- réaction", terme qui désigne l'ensemble des processus engendrés par l'activité métabolique d'un matériel photosynthétique (nécessitant de l'énergie lumineuse et appelé également biocatalyseur), et, notamment, des synthèses, dégradations, conversions, et autres.

Le matériel photosynthétique utilisable comprend les microorganismes (bactéries, cyanobactéries et micro algues > , les cellules végétales et les organites cellulaires.

Les bactéries photosynthétiques sont les bactéries pourpres (Rhodospirillacea et Chromatiacea) ou vertes (Chlorobiaceae et Chloroflexaceae), qui sont des microorganismes phototrophiques ne produisant pas d'oxygène.

L'activité qui est la plus étudiée est celle des bactéries, appartenant a la famille des Rhodospirillaceae (Rhodopseudo- monas capsulata, Rhodospirillum rubrum), qui est la production d'hydrogène moléculaire (activité nitrogénasique å partir de lumière et de sources de carbone bon marché > .

Cependant, l'application qui peut etre envisagée à une échelle industrielle est la dépollution d'effluents ou d'eaux usées chargés en pollution organique. Dans ce domaine du traitement des eaux, certaines espèces < Rhcdopseudomonas sphaeroides > sont capables de réduire les nitrates en azote atmosphérique.

Les micro-algues sont des microorganismes photosynthétiques eucaryotes, à l'exception des algues bleues ou cyanobactéries, cellules procaryotes proches des bactéries. Outre leur valeur potentielle comme source de protéines lorsqu'elles sont cultivées en grande quantité, les micro-algues sont capables d'excréter une large gamme de métabolites secondaires, incluant acides organiques, acides aminés, peptides et polysaccharides. Elles combinent les avantages biotechnologiques des cellules microbiennes (culture simple, croissance relativement rapide, capacité d'excrétion des métabolites) et des cellules végétales (capacité d'élaboration de biomolécules complexes à prix réduit, c'est-à-dire à partir de substrats organiques simples et de lumière).Certaines micro-algues immobilisées sont utilisables dans la production d'hydrocarbures (Botryococcus braunii), d'exopolysaccharides sulfatés (Porphyridium cruentum), de glycérol (Dunaliella parva) d'autres sont applicables au traitement des eaux usées, par exemple, Scenedesmus (élimination des ions ammonium et phosphate dans des effluents urbains secondaires >
Chlorella, Scenedesmus (extraction du cuivre) ; Scenedesmus obliquus, Ankistrodermus braunii, Chlamydomonas reinhardtii,
Anacystis nidulans (élimination des nitrates et/ou des nitrites) ; d'autres encore présentent une activité de bioconversion :Nocardia (modification de stéroïdes) ; Rhodotorula (hydrolyse d'esters de menthol) ; Chlorella,
Anabaena (biotransformation d'acides aminés en acides &alpha;- cétoniques).

Les cellules végétales possèdent d'importantes capacités de bioproduction, intéressant notamment les industries de la chimie fine < parfumerie, cosmétologie, armes alimentaires, pharmacie > . La plupart des métabolites potentiellement intéressants s'accumulent dans la vacuole, et leur récupération se fait par extraction à partir de- la biomasse. Dans le cas présent où les cellules sont immobilisées, l'excrétion des biomolécules est impérative.

A ce propos, on peut citer l'excrétion de métabolites secondaires, comme la berbérine (Thalictrum minus), la shikonine, pigment rouge utilisé en pharmacie, cosmétologie et teinturerie < Lithospermum erythrorhfzon), la capsaicine < CapsJcum frutescens), les monoterpènes (Thuya occidentalis), la bêta-méthyldigoxine (Digitalis lanata).

Parmi les organites cellulaires, les chloroplastes (organites cellulaires assurant la photosynthese chez les végétaux supérieurs > et les chromatophores bactériens (fragments de la membrane intracellulaire des bactéries photosynthetiques) sont les deux systèmes photobiochimiques se prêtant b l'immobilisation.Ces systèmes ne peuvent effectuer, à eux seuls, des synthèses ou des bioconversions, mais on peut exploiter leur capacité a fixer le gaz carbonique et a assurer la photolyse de L'eaux en vue de la production d'oxygène, ou d'hydrogène (en association avec des hydrogénases microbiennes) ; d'autres applications sont la conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique par photophosphorylation de l'ADP en ATP, utilisable à son tour au cours de bioréactions consommatrices d'ATP. Ainsi, ces organites cellulaires sont-ils souvent co-immobilisis avec d' autres biocatalyseurs.

La présente invention s'applique donc aux biophotorecteurs dans lesquels les biocatalyseurs sont immobilisés dans un support, lequel, dans le cas où les biocatalyseurs se multiplient, permet a une telle croissance d'avoir lieu.De même, la présente invention s'applique aux biophotoréacteurs dans lesquels les biocatalyseurs < microorganismes > sont disposé dans une phase délimitée par une membrane dont la porosité est juste suffisante pour retenir les biocatalyseurs, mais qui est perméable å tous substrats ou produits consommés ou excrétés durant l'activité desdits microorganismes Un tel procédé pour la rétention et le maintien de l'activité de microorganismes dans des structures porteuses de ladite activité et les structures résultantes applicables notamment aux bioréacteurs sont décrits dans la demande de brevet français n' 2 597 498.

La présente invention a pour objectif principal de proposer des biophotoréacteurs utilisant des biocatalyseurs immobilisés dans des gels, dont l'agencement est particulièrement avantageux pour l'obtention d'une activite maximale du biocatalyseur, en particulier pour atteindre d'excellents rendements des bioréactions.

La présente invention a donc pour objet un biophotoréacteur pour l'exploitation d'une activité photosynthétique, utilisant un biocatalyseur immobilisé dans un gel1 caractérisé par le fait que la cuve du biophotoréacteur comporte au moins une cavité destinée å recevoir un élément d'éclairage isolé du contenu de ladite cuve, ladite cavité étant délimitée latéralement par une zone de paroi transparente, autour de laquelle est disposée une couche ou membrane biocatalytique constituée par du gel renfermant le biocatalyseur, et étant ainsi apte à être éclairée de 1' intérieur, des moyens étant prévus pour assurer le maintien-de la (ou des) membrane(s) biocatAlytique(s).

Conformément å un mode de réalisation particulièrement preféré, la couche ou membrane biocatalytique, présentant généralement une épaisseur de l'ordre du millimètre ou de quelques millimètres, est confinée entre une paroi transparente interne entourant l'élément d'éclairage, et une structure porteuse externe, poreuse ou perforée. Cette structure doit répondre aux criteres suivants
(1) elle doit permettre d'obtenir une couronne homogene de
gel ;
(2 > elle doit maintenir le gel au contact du cylindre
interne sans limiter la diffusion des réactifs,
substrats et produits intervenant dans la bioréaction
et
< 3 > elle doit maintenir le biocatalyseur dans le gel.

Dans le cas où le biocatalyseur est constitué d'enzymes, d'organites cellulaires (chloroplastes), ou de cellules entieres qui ne prolifèrent pas ou ont un temps de génération très long & l'intérieur du gel (microorganismes "non viables", par exemple perméabilisés, cellules eucaryotes), une paroi externe remplissant les deux premières conditions sera suffisante pour satisfaire au troisième critère. Dans ce cas, la structure porteuse a essentiellement une fonction mécanique, h savoir celle de retenir le gel contre la paroi interne. Elle peut etre constituée par une structure quelconque, par exemple un treillis a larges mailles, mais apte & maintenir le gel, selon la consistance et la viscosité de celui-ci.On peut ainsi utiliser des treillis ayant une largeur de maille de 3 ê 10 mm. On peut également utiliser, en plus ou a la place du treillis, une membrane microporeuse, par exemple pour protéger les cellules de la contamination. Une telle membrane peut etre souple, semi-rigide ou rigide, et elle peut être organique ou minérale.

Dans le cas où l'on utilise l'activité biocatalytique de microorganismes capables de se reproduire rapidement à l'intérieur du gel (microorganismes viables), on choisit une paroi externe constituée par une membrane microporeuse, dont la porosité répond A la définition donnée dans la demande de brevet n 2 597 498. Dans ce cas, il est évidemment possible d'utiliser un treillis tel qu'il a été défini ci-dessus, entre le gel et la membrane microporeuse, lorsque celle-ci est souple ou semi-rigide.

Comme membrane microporeuse, on peut du reste, dans tous les cas, utiliser une membrane rigide telle qu'obtenue par bombardement ionique < ions lourds) de feuilles polymeriques transparentes ou non.

Conformément à la présente invention, le gel renfermant le biocatalyseur est avantageusement formé in situ par coulée entre la paroi transparente interne et une structure externe provisoire fermée. Cependant, un treillis métallique destiné h constituer ou à faire partie de la structure porteuse finale peut autre appliqué intérieurement contre la structure provisoire fermée.

Conformément à d'autres modes de réalisation du biophotoréacteur selon l'invention : la (ou les) cavité(s) dudit biophotoréacteur sont cylindriques, la (ou les) membrane(s) biocatalytiquefs) se trouvant sous la forme de couronnes cylindriques, de la même façon à ce que les structures porteuses perforées ou poreuses ; le biophotoréacteur comporte plusieurs cavités, disposées de façon que leurs axes soient parallèles ; les cavités sont formées dans la paroi de fond et/ou dans le couvercle de la cuve du biophotoréacteur ; celui-ci peut être équipé d'un cylindre entourant la couche ou membrane de biocatalyseur, se trouvant å distance de la structure porteuse de ladite couche ou membrane, et agencé pour permettre une circulation laminaire tangentielle du milieu autour de cette dernière.

Par ailleurs, les biophotoréacteurs de l'invention comportent tout l'équipement nécessaire à la conduite de la réaction : sondes de pH, de température, vannes de sécurité, entrées et sorties de fluides, le cas échéant, entrées d'air et de gaz carbonique, dispositifs d'agitation du milieu, etc
Les éléments d'éclairage peuvent être de toutes sortes ; en particulier, ils peuvent être des moyens d'éclairage par fibres optiques.

Un exemple d'élément d'éclairage par fibres optiques est constitué par un barreau, consistant en un fourreau doté d'une multiplicité d'orifices dans chacun desquels est fixée l'extrémité d'une fibre optique logée dans ledit fourreau et reliée, par son autre extrémité à un générateur de lumière, des points lumineux ou des zones lumineuses étant ainsi formés sur la paroi extérieure du fourreau, distribuant la lumière en direction du milieu de photoréaction contenu dans la cuve du biophotoréacteur.

Ainsi, la membrane biocatalytique entoure le barreau lumineux à une distance que l'on choisit pour assurer un apport suffisant en énergie lumineuse ; on obtient ainsi une homogénéité d'éclairage de la membrane biocatalytique, sans points de surchauffe conduisant d un vieillissement local prématuré de ladite membrane biocatalytique.

Dans le cas d'un tel barreau lumineux, le fourreau présente, de préférence une forme cylindrique, ce qui permet d'assurer une régularité de l'éclairage à la périphérie de chaque barreau lumineux.

Conformément à d'autres modes de réalisation d'un tel barreau : les fibres sont rassemblées dans une gaine avant de pénétrer dans le fourreau ; et celui-ci est fermé par une embase par laquelle ledit barreau se fixe sur une partie d'enveloppe de la cuve, par exemple sur la paroi de fond ou sur le couvercle de ladite cuve, les éléments d'éclairage étant avantageusement amovibles et démontables.

De préférence, les orifices d'un barreau recevant les extrémités des fibres optiques sont disposés de façon régulière, notamment en quinconce, assurant également une uniformité d'éclairage. En outre, dans un mode de réalisation particulier, les extrémités des fibres optiques sont introduites chacune dans un téton a sortie tronconique, logé dans un orifice du fourreau, de manière à constituer des cônes lumineux. Il est alors intéressant que les cônes lumineux se recoupent de manière à assurer un éclairage le plus homogène possible de la totalité de la surface interne de la membrane biocatalytique, en vue d'une exploitation de l'activité photosynthétique réalisée dans les meilleures conditions.

Pour mieux illustrer l'objet de la présente invention, on décrira plus en détail ci-après, à titre indicatif et non limitatif, deux modes de réalisation de biophotoréacteurs selon l'invention représentés sur le dessin annexé.

Sur ce dessin
- la figure 1 est une vue schématique partielle, en coupe
longitudinale, d'une membrane biocatalytique et de
moyens de maintien de ladite membrane dans un
biophotoréacteur de l'invention
- la figure 2 est une vue, partiellement en élévation,
partiellement en coupe axiale longitudinale, du
dispositif d'éclairage d'un biophotoréacteur conforme & BR<
un premier mode de réalisation de l'invention
les figures 3 et 4 sont des vues en coupé selon
respectivement III-III et IV-IV de la figure 2
la figure 5 est une vue à echelle agrandie du détail A
de la figure 4 - la figure 6 est une vue en coupe axiale longitudinale
d'un dispositif mécanique utilisé pour fabriquer un gel
biocatalytique immobilisant des microorganismes ou
organites cellulaires - la figure 7 est une vue de dessus du dispositif de la
figure 6 - la figure 8 est une vue en coupe axiale longitudinale
du biophotoréacteur à l'état assemblé avec le
dispositif d'éclairage de la figure 2, selon VIII-VIII
de la figure 9, laquelle est une vue en coupe
transversale dudit biophotoréacteur - la figure 10 est une representation schématique de
l'ensemble de l'appareillage incorporant le
biophotoréacteur de la figure 8, en vue d'une photoproduction d'hydrogene - la figure 11 représente des courbes obtenues lors de la
mise en oeuvre de cette photoproduction dans
l'appareillage de la figure 10 - la figure la est une vue schématique de dessus d'un
biophotoréacteur a multiéléments biocatalytiques
conforme a un second mode de réalisation de
l'invention, et comportant une pluralite de dispositifs
d'éclairage du type de ceux représentés sur la
figure 2, en vue d'une application à l'échelle
industrielle; et
la figure 13 est une vue schématique en élévation avec
un arrachement montrant en coupe longitudinale axiale,
l'un des éléments biocatalytiques du réacteur de la
figure 12.

Si l'on se réfère à la figure 1, on voit que l'on a désigne par 23 une membrane biocatalytique constituée par un gel emprisonnant des cellules ou organites cellulaires, et confinée entre une paroi transparente 16 et une structure poreuse constituée par un treillis métallique 17 applique contre ladite membrane 23 et une membrane microporeuse 34.

La réalisation et le montage de la membrane 23 dans la cuve du biophotoréacteur sont décrits ci-après.

Si l'on se réfère maintenant aux figures 2 à 5, on voit que l'on a désigné par 1, dans son ensemble, un dispositif d'éclairage pour le biophotoréacteur des figures 8 et 9. Ce dispositif constitue un moyen avantageux pour réaliser l'éclairage du biophotoréacteur ; cependant, l'invention n'est en aucune manière limitée å ce mode d'éclairage particulier.

Le dispositif d'éclairage 1 utilise un système de fibres optiques 2 figure 5), permettant d'obtenir une lumière froide, antidéflagrante et à intensité modulable.

Ces fibres 2, gainées individuellement, sont regroupes en un faisceau dans une gaine en acier inoxydable, formant un câble souple 3. A l'une de ses extrémités < non représentée > , le câble 3 est fermé par un embout, également en acier inoxydable, dans lequel sont fixées les extrémités correspondantes des fibres optiques 2 et qui peut s' adapter sur un générateur de lumière tel que symbolisé en 74 sur la figure 10.

Les fibres 2 utilisées dans cet exemple sont des fibres FORT type FEK 50, de O, i mm de diamètre. Le cible 3, dont la longueur est de 2,5 m environ, renferme 360 fibres optiques 2 ; et la source lumineuse est un générateur de 150-250 watts < lampe halogene > , muni d'un filtre anticalorique (type KG1 de SCHOTT > .

A l'extrémité du cible 3, opposée au générateur, les fibres 2 sont introduites axialement dans un fourreau cylindrique 4 en acier inoxydable, le cible 3 pénétrant axialement et se terminant dans une embase 5 en forme de disque, fermant ledit fourreau 4 à sa partie inférieure, celui-ci étant disposé verticalement, dans sa position de montage final dans le biophotoréacteur de la figure 8. Les fibres 2 sortent librement à l'intérieur du fourreau 4 et elles sont fixées individuellement a la paroi de celui-ci comme cela est décrit ci-après. L'embase 5 comporte une bride périphérique inférieure 6, comportant trois trous 7 a 120 l'un de l'autre, en vue de la fixation sur le plateau inférieur 8 du biophotoréacteur de la figure 8.

Le fourreau cylindrique 4 est percé sensiblement sur toute sa hauteur, å l'exclusion de ses zones de bordure supérieure et inférieure, d'orifices 9 de petit diamètre, ces orifices 9 en étant disposés dans des plans radiaux se trouvant à égale distance les uns des autres, de façon a obtenir une distribution d'ensemble régulière en quinconce.

Dans l'exemple représenté, le fourreau 4 présente une hauteur de 20cm et un diamètre de IOcm, et il comporte 360 orifices 9 d'un diamètre de Imm, à raison de 18 orifices décalés radialement de 20 sur une circonférence, un décalage radial de 10 existant entre deux circonférences successives, ce qui est illustré par les figures 3 et 4
Chacune des fibres optiques 2, qui pénètre librement dans le fourreau 4, est insérée, par son extrémité libre, dans le canal axial 10a d'un téton de fixation cylindrique 10, en matière plastique, introduit à force dans un orifice 9 a l'intérieur du fourreau 4.Chaque téton 10 comporte, à l'une de ses extrémités, une bride lOb par laquelle il vient en butée contre la paroi interne du fourreau 4 figure 5); en position de montage, chaque téton 10 affleure, par son extrémité opposée d la bride lOb la surface externe du fourreau 4, mais le canal axial 10a s'ouvre vers l'extérieur suivant une paroi tronconique IOç la fibre 2 associée aboutissant dans le fond de cette ouverture tronconique. Les différents cônes d'éclairage ainsi constitués se recoupent mutuellement pour assurer un éclairage continu et homogène à l'extérieur du fourreau 4, sur sensiblement toute la hauteur du gel biocatalytique 23 décrit ci-apres > .

Si l'on se réfère maintenant aux figures 6 et 7, on voit que l'on a représenté un dispositif 11 constitué par un plateau métallique 12 en forme de disque, d'un diamètre de 160mm dans l'exemple représenté. Le plateau 12 est surmonté d'une tige axiale 13 portant un filetage 14 dans sa région d'extrémité, et il comporte, sur sa face portant la tige 13, une gorge périphérique annulaire 15, d section en
U. Cette gorge 15, tapissée d'un Joint plan 15m reçoit un cylindre de verre 16 dont la hauteur est sensiblement égale å celle de la tige 13, F l'exception de sa partie filetée 1Q.

Un treillis métallique 17, a larges mailles, de forme cylindrique et ayant un diamètre interne égal ou légèrement supérieur au diamètre externe du plateau 12, est dispose coaxialement au cylindre de verre 16, en étant emboîte autour dudit plateau 12, par son embase annulaire 17a raccordée au corps du treillis 17 par un léger décrochement vers l'intérieur 17b, ainsi que le montre la figure 6. De plus, le treillis métallique 17 est recouvert extérieurement d'une feuille d'aluminium 18, laquelle est plaquée sur ledit treillis 17 par deux bandes de caoutchouc 19m 19b disposées, l'une immédiatement au-dessus de l'embase 17a, et l'autre, au voisinage de la bordure libre de la feuille d'aluminium 18. Un joint torique d'étanchéité 20 est interposé entre la bordure externe du plateau 12 et l'embase 17fui. De la sorte, on a constitué, entre la paroi externe du cylindre de verre 16 et la paroi interne du treillis 17 dont les ouvertures sont obturées par la feuille d'aluminium 18, un espace cylindrique'21, dans lequel on pourra venir couler un gel biocatalytique afin de constituer une membrane biocatalytique comme cela est décrit ci-après.

Ce dispositif Il de coulage du gel est complété par une plaque métallique 22 Cen acier par exemple), ayant la forme d'une bande allongée, de longueur légèrement supérieure au diamètre du dispositif cylindrique qui vient d'être décrit, et présentant une ouverture centrale 22a de diamètre légèrement supérieur à celui de la tige 13. Cette plaque 22 vient s'appliquer diamétralement sur le dispositif cylindrique précité, la tige 13 traversant l'ouverture centrale 22a et dépassant, par son extrémité filetée 14, de ladite plaque 22. Une vis de serrage 22b maintient cette dernière sous une légère pression de façon a assurer l'étanchéité du dispositif 11.Celui-ci, une fois réalisé comme on vient de l'indiquer, est stérilisé par autoclavage, puis placé dans une enceinte stérile, thermostatée b 40-C.

On décrira maintenant (I) la preparation d'un gel biocatalytique et < 2) le coulage de ce gel dans l'espace 21: (1) On réalise une suspension d'agar (18g d'agar dans 700 ml d'eau) que l'on stérilise par autoclavage; la solution obtenue est ensuite placée dans une enceinte stérile thermostatée, où elle refroidit jusqu'a 40 C, puis inoculée par 100ml d'une culture dense de Rhodospirillum rubrum (obtenu par des techniques conventionnelles de culture des microorganismes photosynthétiques) ; on obtient ainsi une suspension à 2, 25% en poids d' agar.

(2) Après quelques minutes d'homogénéisation, la suspension d'agar est coulée manuellement dans l'espace 21 du dispositif Il; la température de l'enceinte thermostatee est abaissée A 3O C; la gélification s'effectue en 15 minutes environ, et l'on obtient, dans l'espace 21, la membrane biocatalytique 23, laquelle présente une épaisseur de 3 mm environ.

Après gélifiction, la feuille d'aluminium 18 est retirée; la membrane biocatalytique 23 ainsi constituée et son support (à savoir le dispositif 11 duquel on a ôté la feuille 18 et les bandes 19a, 19b) sont alors placés dans un récipient stérile contenant 5 litres d'un milieu nutritif adéquat (mélange bouillon Columbia - milieu Ormerod > et exposes a la lumière (20 klx) pendant 48 heures. Au cours de l'incubation, le milieu nutritif est agité par un fort courant d'argon, qui permet également de maintenir l'anaérobiose. Cette étape, dite de "prétraitement", permet une colonisation du gel par les microorganismes immobilisés.

La membrane ainsi "dopée" est alors lavée A l'eau distillée stérile pendant 24 heures.

On se reportera maintenant aux figures 8 et 9 pour décrire un biophotoréacteur 24 å microorganismes immobilisés, incorporant le dispositif d'éclairage 1 et la structure biocatalytique constituée par le cylindre de verre 16, la membrane biocatalytique 23 emprisonnant Rhodospirillum rubrum et le treillis métallique 17.

Le biophotoréacteur 24 est délimité par un plateau inférieur 8 (deux indiqué en référence avec la figure 2), un plateau supérieur 25, tous deux en forme de disque, et par une enveloppe latérale cylindrique 26, laquelle est en verre ou en tout autre matériau adequat, par exemple l'acier inoxydable. Cette dernière se trouve, en position de montage, introduite par ses bordures respectivement inférieure et supérieure dans des rainures annulaires 8a et 25 en regard l'une de l'autre, pratiquées å la périphérie des plateaux respectivement 8 et 25.Ces derniérs sont maintenus par des goujons métalliques 27-, au nombre de six < figure-9 > , vissés dans le plateau 8 à l'extérieur de la rainure 8a, des écrous 28 maintenant sous une légère pression le plateau supérieur 25 et assurant l'étanchéité de la cuve 29 ainsi constituée du biophotoréacteur 24.

Le plateau inférieur 8 comporte une ouverture centrale 30 délimitée par une paroi cylindrique dans laquelle est pratiqué un décrochement 31 destiné a servir de butée a la bride 6 du dispositif d'éclairage i, fixé sur le plateau 8 comme décrit précédemment.

Par ailleurs, le plateau 8 comporte intérieurement deux rainures annulaires concentriques 32 et 33, la rainure interne 32, tapissée d'un joint plan < non représenté).

située å une certaine distance de l'ouverture 30, recevant le cylindre de verre 16 précité, et la rainure externe 33, plus profonde que la rainure 32, recevant le treillis 17 par sa base 17= la membrane biocatalytique 23 de gel + microorganismes immobilisés étant emprisonnée entre le cylindre 16 et le treillis 17.

Dans l'exemple représenté, une membrane microporeuse 34 < membrane Millipore, type Durapore hydrophile, de porosité 0,45 Rm > est placée autour du treillis 17, où elle est fixée par deux bandes de caoutchouc inférieure et supérieure, respectivement 35a et 35b. La membrane 34 constitue un filtre microporeux assurant un confinement, dans le gel de la membrane 23, des microorganismes immobilisés, selon l'enseignement de la demande de brevet français n 2 597 498.

La structure constituée par le cylindre de verre 16 et l'ensemble des éléments qu'il porte extérieurement, est fermée, å sa partie supérieure, par un couvercle interne 36 en forme de disque, qui comporte, de la mére facon que le plateau 8, deux rainures concentriques respectivement 37 et 38 recevant les bordures supérieures respectivement du cylindre 16 et du treillis 17, lequel est renforcé dans cette partie. Le couvercle 36 dépasse, sur toute sa périphérie, du cylindre 16 et des éléments qu'il porte, des trous 39, au nombre de quatre (figure 9 > , disposés å 90 l'un de l'autre, traversant cette zone périphérique du couvercle 36. Les trous 39 sont traversés par des goujons 40, dont la pointe inférieure est vissée dans des logements filetés 41 prévus a cet effet dans le plateau inférieur 8. Sur la partie d'extrémité supérieure des goujons 40 qui dépasse du couvercle 36, sont vissés des écrous 42. On assure ainsi un maintien en place du cylindre de verre 16, pour définir intérieurement une cavité 43, qui est parfaitement isolée de la cuve 29, et dans laquelle est placé le dispositif d'éclairage 1.

Le biophotoréacteur 24 renferme également un cylindre intermédiaire amovible 44, coaxial au cylindre 16 et extérieur A celui-ci, ledit cylindre 44 reposant, par sa bordure inférieure, dans une gorge annulaire 45 également pratiquée dans le plateau inférieur 8. La cuve 29 étant destinée A recevoir du milieu nutritif, ce cylindre 44 est destiné a assurer une circulation laminaire tangentielle dudit milieu autour de la membrane 34, dans la zone en forme de couronne cylindrique 46 située entre ledit cylindre 44 et ladite membrane 34. Sur la figure 8, on a représenté partiellement le goujon 40 de droite, pour illustrer par des fleches, la circulation du milieu nutritif.

Celui-ci entre dans le biophotoréacteur 24 par des aiguilles d'injection 47, au nombre de quatre, pénétrant, à travers le plateau inférieur 8, dans la zone précitée 46.

Ainsi, le liquide entre & la partie basse de cette zone gracie aux aiguilles 47, il monte le long de la membrane microporeuse 34 selon la flèche indiquée, puis il retombe, également comme indiqué par l'autre flèche, autour du cylindre 44, ou il est repris par les aiguilles de sortie 48, au nombre de deux, diamétralement opposées. En fonctionnement, le niveau du liquide dans la cuve 29 est maintenu å la hauteur h < figure 8), a savoir, légèrement audessous de la bordure supérieure du cylindre 44.

Le biophotoréacteur 24 est également équipé, en partie haute, d'une vanne de sécurité 49, d'une sonde de pH 50, et d'un bouchon 50a pour introduction de fluides, prélevement, etc., et, en partie basse, d'une sonde de température 51, et d'une résistance chauffante 52. Le biophotoréacteur 24 est disposé sur un socle 53, représenté partiellement sur la figure 8.

On peut également prévoir, dans le biophotoréacteur, un dispositif d'agitation traditionnelle par pales ou "air lift".

Le montage du biophotoréacteur 24 est effectué de la façon suivante
Tous les éléments du biophotoréacteur 24, ainsi que les différents milieux, sont stérilisés par autoclavage; l'ensemble des opérations de montage s'effectue dans une enceinte stérile.

La structure biocatalytique (cylindre 16 membrane 23 - treillis 17) est dégagée du système de coulage des figures 6 et 7, puis fixée hermétiquement sur le plateau inférieur 8 du biophotoréacteur 24. La membrane 34, préalablement préparée (taillée aux dimensions voulues: longueur 555mm, hauteur 265mm, selon l'exemple présentement décrit, soudée, puis autoclavée > est alors placée autour du treillis 17, où elle est maintenue hermétiquement par les bandes de caoutchouc 35a, 35b. Les goujons 40, le cylindre 44, le couvercle intérieur 36, les goujons 27, le cylindre externe 26 et le plateau supérieur 25 sont mis successivement en place. Après vérification de l'étanchéité du biophotoréacteur 24, celui-ci est sorti de l'enceinte stérile et incorporé dans l'ensemble schématisé sur la figure 10.Celui-ci comporte trois grandes parties
- le biophotoréacteur 24 proprement dit, tel qu'il vient
d'être décrit;
- un ensemble hydraulique qui comprend quatre réservoirs
54, 55, 56, 57, d'une capacité de 5 litres chacun, une
pompe de circulation 58 a fort débit (600 litres/heure >
et vitesse variable (de o, î a 99% du débit maximum > , et
un tableau de commande 59 supportant sept vannes C54 >
55a, 56a, 57a et 60, 61,62), et un collecteur 63; et
- un ensemble de régulation, contrôle et mesure
comprenant:
- un système de régulation thermique formé de la
sonde de température 5L et de la résistance
chauffante 52, reliées a un boîtier de régulation
64, auquel peut être associé un serpentin de
refroidissement (non représenté) placé dans le
biophotoréacteur 24;
- un pR-mètre 65 relié à une électrode de verre 66;
- un système de mesure du débit gazeux et d'analyse
du gaz constitué de la façon suivante: le gaz
produit dans le photoréacteur 24 est évacué à la
partie supérieure grace a trois tubes en Teflon
67, 68 et 69; il passe dans un condensateur 70 où
il perd la vapeur d'eau qu'il contient; en sortie
du condensateur 70, un débitmètre massique 71,
étalonné pour l'hydrogène, traduit le débit gazeux
(d > en signal électrique, qui est enregistré au
cours du temps (t) par l'enregistreur 72; le gaz
est ensuite analysé en GPC en 73, puis évacué.

Pour la mise en oeuvre de l'installtion de la figure 10, les réservoirs 54 et 55 contenant du milieu nutritif, stérilisés par autoclavage, sont connectés aux vannes respectivement 54a, 55a . Les connexions sont effectuées au niveau des entrées 47 et des sorties 48 pour le iiquide. Le dispositif d'éclairage 1, relié au générateur de lumière 74, est mis en place, ainsi que la régulation thermique et la mesure du pH.

Lorsque le remplissage est effectué (10 litres de milieu nutritif), les vannes 54a, 55a sont fermées. On ouvre les vannes 60 et 61; sous l'action de la pompe 58, le milieu circule dans le sens (1) à vitesse moyenne (en circuit fermé). Le bioréacteur 24 est alors désoxygéné par bullage d'argon en 75 pendant 1 heure.

L'installation est alors prête å fonctionner; le dégazage est stoppé, le liquide circule toujours dans le sens < 1 > à vitesse moyenne, le générateur de lumière 74 fonctionne à son maximum d'intensité (15 klx).

Cette installation a été utilisée pour suivre plusieurs cinétiques de photoproduction d'hydrogène, correspondant & des conditions expérimentales différentes.

Dans une expérience typique, qui n'est donnée ici qu'a titre d'exemple, le milieu nutritif fourni aux microorganismes immobilisés (R. rubrum) est un tampon phosphate contenant du relate < source de C) et du glutamate (source de N), dont la composition exacte est la suivante (d'après Hirayama et al,
Agric. Biol. Chem. 1986,50: 891-897):
K2HPO4 10,5 g
KH2P04 3,5 g
Acide malique ..... 35,0 g
Acide glutamique .. 4,8 g
Eau distillée ..... 1 litre (pH ajusté à 7 par KOH)
La courbe < 1 > de la figure 11 représente l'évolution du volume de gaz produit dans le photoréacteur 24.Ce gaz est un mélange de H2, C02 et Ar, dans lequel la proportion d'R2 pur varie au cours du temps d'incubation (figure 11, encadré). La courbe < 2) de la figure 11 représente la cinétique de production d'H2 pur par la structure biocatalytique: on observe tout d'abord une période de latence de l'ordre de 40 heures, puis une augmentation importante du volume de H2 produit pour atteindre, en fin de manipulation, un "épuisement" du substrat < ralentissement de la production gazeuse observé à partir de 130 heures).

Pour réduire les contaminations parasites, on introduit, dans le protocole opératoire, une étape préliminaire de lavage du biophotoréacteur 24, structure biocatalytique en place, par une solution décontaminante, sans effet rémanent, par exemple le tampon phtalate décrit par Trinel et Leclerc (Ann. Microbiol. Inst. Pasteur, 1977, las: 419-423 > .

Le décontaminant est stocké dans le réservoir 56 (figure 10). Après fixation de la structure biocatalytique, on l'introduit à l'aide de la pompe 58 dans le bioréacteur où il séjourne pendant environ 1mn. Le système est ensuite vidangé, puis rincé par de l'eau distillée stérile contenue dans le réservoir 57.

Si l'on se réfère maintenant aux figures 12 et 13, on voit que l'on a désigné par 124 un biophotoréacteur de grande capacité. Le biophotoréacteur 124 comprend une embase 108, une paroi latérale cylindrique 126, préférentiellement en acier, fixée a l'embase 108 et au plateau supérieur 125 par des boulons de serrage 177. Dans la cuve 129 ainsi délimitée, plongent des structures actives (au nombre de cinq dans l'exemple représenté) du meme type que celle décrite ci-dessus et désignées par des chiffres de référence supérieurs de 100 & ceux utilisés précédemment, d savoir cylindre de verre 116 - membrane 123 de gel emprisonnant les microorganismes - treillis 117 et membrane microporeuse 134.Ces structures sont fermées intérieurement de manière étanche, par des plaques 136 < équivalentes au couvercle 36 du mode de réalisation précédemment décrit), qui sont serrées contre lesdites structures au moyen de goujons 140 reliés à une plaque supérieure 178 en appui périphérique contre le couvercle 125 et fixée par des boulons 179.Dans les espaces 143 délimites par les cylindres de verre 116 et les plaques internes 136, sont disposés les dispositifs d'éclairage 101, avec leurs gaines 103 guidant chacune un faisceau de fibres optiques
Le biophotoréacteur 124 comporte des dispositifs d'agitation 176 régulierement distribués entre les structures actives précitées, ces dispositifs d'agitation étant choisis pour être les mieux adaptés à la distribution desdites structures a l'intérieur de la cuve 129 et d l'activité-photosynthetique exploitée: système à gaz pulsé (par exemple, air + CO2 > dans le cas d'un métabolisme sans récupération de biogaz, assurant & la fois l'agitation et l'approvisionnement du milieu en substrat < exemple : C02 > , et l'évacuation des gaz et/ou calories éventuellement produits ; agitation par pales, hélices ou turbines (dont il existe de multiples configurations permettant de diriger les flux de milieu nutritif > , par circulation de milieu, en anaérobiose et dans certains cas d'aérobiose.

De meme, le biophotoréacteur 124 comporte tous le, équipements nécessaires: soupape de sécurité 149; sondes de pH 150; sondes de température (platine) 151; et résistances chauffantes 152.

Le processus de stérilisation du réacteur 124 et de ses éléments cylindriques savant mise en place du gel > est choisi parmi les techniques classiques bien connues pour les biophotoréacteurs industriels: vapeur, oxyde d'éthylène, avant coulage in situ du gel biocatalytique.

Claims (24)

REVENDICATIONS

1 - Biophotoréacteur pour l'exploitation d'une activité photosynthétique, utilisant un biocatalyseur immobilisé dans un gel, caractérisé par le fait que la cuve (29 ; 129) du biophotoréacteur (24 ; 124) comporte au moins une cavité destinée à recevoir un élément d'éclairage (1 ; 101) isolé du contenu de ladite cuve (29 129 > , ladite cavité étant délimitée latéralement par une zone de paroi transparente < 16 ; 116) autour de laquelle est disposée une couche ou membrane biocatalytique (23 ; 123) constituée par du gel renfermant le biocatalyseur, et étant ainsi apte å être éclairée de l'intérieur, des moyens étant prévus pour assurer le maintien de la (ou des) couche(s) ou membrane(s) biocatalytique(s) (23 ; 123).

2 - Biophotoréacteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la couche ou membrane biocatalytique < 23 ; 123) est confinée entre la paroi transparente interne < 16 ; li6) et une structure porteuse externe, poreuse ou perforée.

3 - Biophotoréacteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la paroi transparente interne C16 ; 116) est une paroi de verre.

4 - Biophotoréacteur-selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que la structure poreuse externe est constituée par un treillis à larges mailles ; ou un treillis å larges mailles (17 ; 117) et une membrane microporeuse < 34 ; 134 > ; ou une membrane microporeuse semi-rigide ou rigide.

5 - Biophotoréacteur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le treillis (17 ; 117 > présente une ouverture de maille de l'ordre de 3-10 mm.

6 - Biophotoréacteur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la membrane microporeuse (34 134) est une membrane souple, semi-rigide ou rigide, organique ou minérale.

7 - Biophotoréacteur selon la revendication 4, dans lequel le biocatalyseur est constitué par des microorganismes proliférants, caractérisé par le fait que la structure porteuse est constituée ou comprend une membrane microporeuse (34 ; 134 > dont la porosité est juste suffisante pour retenir les microorganismes, mais qui est perméable & tous substrats ou produits consommés ou excrétés durant l'activité desdits microorganismes.

8 - Biophotoréacteur selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé par le fait que le gel renfermant le biocatalyseur est formé 'in situ par coulée entre la paroi transparente interne (16 ; 116 > et une structure externe provisoire fermée < 18 > .

9 - Biophotoréacteur selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'un treillis métallique < 17 ; 117) destiné a constituer ou à faire partie de la structure poreuse finale est appliqué intérieurement contre la structure provisoire fermée < 18 > .

10 - Biophotoréacteur selon l'une des revendications I à 9, caractérisé par le fait que la (ou les) cavité(s) dudit biophotoréacteur < 24 ; 124) sont cylindriques, la (ou les) membraneCs) (23 ; 123) biocatalytique(s) se trouvant sous la forme de couronnes cylindriques, de la même façon que les structures porteuses perforées ou poreuses.

11 - Biophotoréacteur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qu'il comporte plusieurs cavités, disposées de façon que leurs axes soient parallèles.

12 - Biophotoréacteur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que les cavités sont formées dans la paroi de fond < 8) et/ou dans le couvercle < 125) de la cuve < 29 ; 129).

13 - Biophotoréacteur selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait qu'il est équipé d'un cylindre (44 ; 144 > entourant la couche ou membrane de biocatalyseur < a3 ; 123), se trouvant à distance de la structure porteuse de ladite couche ou membrane, et agencé pour permettre une circulation laminaire tangentielle du milieu autour de cette dernière.

14 - Biophotoréacteur selon l'une des revendications 1 & 13, caractérisé par le fait que le fond de chaque cavité est délimité par une plaque (36 ; 136 > rendue solidaire d'une paroi délimitant la cuve < 29 ; 129 > du réacteur, comme la paroi de fond < 8) ou le couvercle (125 > , recevant, d1 une manière étanche, la paroi transparente interne (16 ; 116), elle-meme reçue, d'une manière étanche, dans la zone de paroi opposée de la cuve (29 ; 129 > , et assurant également le maintien d'une extrémité de la structure porteuse, elle-même maintenue, par son extrémitée opposée, contre ladite zone de paroi opposée de la cuve < 29 ; 129 > .

15 - Biophot-oréacteur selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que la cuve (29 ; 129) est délimitée par une paroi de fond (8 ; 108), un couvercle < 25 ; 125), et une paroi latérale (26 126 > , celle-ci pouvant être reçue à ses extrémités, dans des rainures du fond < 8) et du couvercle < 25 > , des moyens étant prévus pour assurer le maintien étanche de l'ensemble.

16 - Biophotoréacteur selon l'une des revendications 1 a 15, caractérisé par le fait qu'il comporte l'équipement nécessaire à la conduite de la réaction : sondes de pH, de température, vannes de sécurité, entrées et sorties de fluides, le cas échéant, entrées d'air et de gaz carbonique, dispositifs d'agitation du milieu.

17 - Biophotoréacteur selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait que le biocatalyseur est constitué par des microorganismes incluant les bactéries, les cyanobactéries et les microalgues ; les cellules végétales et les organites cellulaires.

18 - Biophotoréacteur selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé par le fait que les éléments d'éclairage < 1 ; 101 > sont des éléments d'éclairage par fibres optiques.

19 - Biophotoréacteur selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'un élément d' éclairage (1 ; 101) se présente sous la forme d'un barreau consistant en un fourreau (4 ; 104) doté d'une multiplicité d'orifices < 9) dans chacun desquels est fixée l'extrémité d'une fibre optique (2) logée dans ledit fourreau (4 ; 104) et reliée, par son autre extrémité à un générateur de lumière, des points lumineux ou des zones lumineuses étant ainsi formés sur la paroi extérieure du fourreau < 4 ; 104), adressant la lumière en direction du milieu de photoréaction contenu dans la cuve (29 ; 129) du biophotoréacteur (24 ; 124).

20 - Biophotoréacteur selon la revendication 19, caractérisé par le fait que le fourreau (4 ; 104) présente une forme cylindrique.

21 - Biophotoréacteur selon l'une des revendications 19 et 20, caractérisé par le fait que les fibres (2) sont rassemblées dans une gaine avant de pénétrer dans le fourreau (4 ; 104).

22 - Biophotoréacteur selon l' une des revendications 19 à 21, caractérisé par le fait que le fourreau (4) est fermé par une embase (5 ; 105) par laquelle l'élément d'éclairage (1 ; 101) se fixe sur une partie d'enveloppe de la cuve (29 ; 129 > , comme la paroi de fond < 8 > , ou le couvercle < 125 > de ladite cuve < 29 ; 129 > .

23 - Biophotoréacteur selon l'une des revendications 19 & 22, caractérisé par-le fait que les orifices < 9 > du barreau recevant les extrémités des fibres optiques < 2) sont disposés de façon régulière, notamment en quinconce.

24 - Biophotoréacteur selon l' une des revendications 19 à 23, caractérisé par le fait que les extrémités des fibres optiques < 2) sont introduites chacune dans un téton (10) à sortie tronconique, logé dans un orifice (9) du fourreau (4) de manière à constituer des cônes lumineux, lesquels, de préférence, se recoupent de manière à assurer un éclairage le plus homogène possible de la totalité de la surface interne de la membrane biocatalytique.