BE1021386B1 - Dispositif pour cultiver des organismes phototrophes. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif pour cultiver des organismes phototrophes comprenant au moins deux photobioréacteurs airlift reliés, destinés à contenir un milieu de culture comprenant des organismes phototrophes, placés en série. Selon l'invention, un tel dispositif comprend des photobioréacteurs airlift reliés par au moins deux jambes de circulation externes placées de part et d'autre de chaque photobioréacteur. Figure 1.

Description

Dispositif pour cultiver des organismes phototrophes ’ 1. Domaine de l’invention L’invention concerne un dispositif pour cultiver des organismes phototrophes. Plus particulièrement, l’invention concerne un dispositif pour cultiver des organismes phototrophes comprenant au moins deux photobioréacteurs air-lift, placés en série et reliés par au moins deux jambes de circulation externes. L’invention peut être utilisée notamment dans le traitement des fumées industrielles, dans la production de biocarburant d’origine photosynthétique... 2. Solutions de l’art antérieur

Les organismes capables de photosynthèse, et plus particulièrement les micro-organismes capables de photosynthèse, tels que les microalgues ou les cyanobactéries présentent un grand intérêt tant environnemental qu’économique du fait de leur haute capacité à transformer le dioxyde de carbone (ci-après désigné CO2) en oxygène (ci-après désigné O2) appelé également « oxygène métabolique ». De tels micro-organismes synthétisent leur matière organique en exploitant la lumière (du soleil) et en fixant le CO2. Leur croissance présente également un intérêt dans l’obtention de biocarburant d’origine photosynthétique ou des composés nutraceutiques issus de la biomasse algale. Ces organismes phototrophes peuvent être ainsi valorisés de façons diverses : énergie (biocarburant, biogaz...), alimentation (compléments alimentaires, aquaculture...), pharmaceutique (molécule d’intérêt, acides aminés, vitamines...), dans la dépollution des eaux (métaux lourds, pollution organique, dénitrification...).

La croissance des organismes phototrophes et plus particulièrement des micro-organismes phototrophes et plus précisément la croissance des micro-organismes phototrophes immergés dans un milieu de culture contenu dans un photobioréacteur a fait l’objet de nombreuses recherches. En particulier, l’amélioration de leur taux de croissance est primordiale, notamment pour l’utilisation de ces micro-organismes phototrophes pour la captation du CO2 contenu dans les fumées émises par les entreprises qui consomment de grandes quantités d’énergies fossiles, ceci dans le but de réduire leur empreinte carbone et limiter l’effet de serre.

Dans de nombreux procédés de culture d’organismes phototrophes dans des photobioréacteurs, l’agitation du milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes est souvent limitante. Cette étape d’agitation est une opération essentielle qui demande des investissements énergétiques non négligeables. En effet, l’agitation permet une homogénéisation efficace du milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes mais aussi d’éviter la sédimentation de ces derniers. Elle permet également d’obtenir une diffusion uniforme de la lumière au sein du photobioréacteur. Les réacteurs mécaniquement agités sont très répandus pour ce type de procédé mais ils ne constituent pas nécessairement la meilleure conception pour les réactions biologiques aérobies. Cela induit une consommation énergétique importante qui est ensuite dissipée sous forme de chaleur dans le fluide, et des forces de cisaillement élevées.

Les coûts opératoires élevés, dus à l’énergie dissipée dans les réacteurs mécaniquement agités, ont conduit à la conception et au développement de nouveaux types de réacteurs multiphasiques permettant l’amélioration du transfert du CO2 dans un faible volume avec un degré de mélange élevé conjugué à une construction simple ne nécessitant pas une agitation mécanique.

Ainsi, de nombreuses variantes de ces réacteurs ont été développées, afin de réduire le rétro-mélange. On rencontre ainsi des colonnes à bulles multi-étages, des réacteurs à bulles munis d’un garnissage non structuré ou de mélangeurs statiques.

Une autre variante des colonnes à bulles est le réacteur à boucle, plus communément appelé réacteur airlift. Ce type de réacteur assure une circulation dirigée du liquide. Ces photobioréacteurs sont notamment utilisés pour la culture des algues dont la biomasse est valorisée pour des applications à haute valeur ajoutée. La circulation du liquide peut être interne par ajout de chicanes cylindriques ou planes dans les colonnes à bulles. Elle peut également être externe avec une jambe de retour, qu’on appellera, jambe de circulation séparée, encore appelée « downcomer », reliée à la montée - le « riser »- par des jonctions de géométrie variable.

Les réacteurs de type airlift de l’art antérieur présentent ainsi la particularité de disposer d’une boucle de circulation du mélange réactionnel. Cette recirculation est induite par une différence de densité apparente entre deux sections du réacteur. Une telle configuration de photobioréacteur de type airlift propose une compartimentation de la partie riser du photobioréacteur en plusieurs étages traversés par le mélange gazeux (riser) et d’un downcomer de faible section (Degen et al., 2001). Cependant, avec une telle configuration en étages, la multiplication des zones mortes et une faible homogénéité de la diffusion de la lumière entraînent une diminution notable du rendement de production de biomasse.

On connaît également de l’art antérieur des photobioréacteurs airlift comprenant deux compartimentations (riser et downcomer) pour lesquels l’agitation de la suspension est exclusivement verticale (Reyna-Velarde, 2010).

Enfin, les photobioréacteurs airlift de l’art antérieur nécessitent généralement la présence d’un tube microporeux ou d’une sole microporeuse afin d’agiter le fond du photobioréacteur et ceci est d’autant plus marqué pour les photobioréacteurs airlift simple c’est-à-dire avec une seule jambe de circulation externe par photobioréacteur.

Il reste donc un besoin dans l’art antérieur pour des solutions alternatives permettant une meilleure croissance des organismes phototrophes et particulièrement des micro-organismes phototrophes immergés dans un milieu de culture contenu dans un photobioréacteur et leur utilisation pour obtenir notamment un meilleur rendement de captation du CO2. 3. Objectifs de l’invention L’invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients de l’art antérieur.

Plus précisément, un objectif de l’invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est d’améliorer la croissance des organismes phototrophes et particulièrement des micro-organismes phototrophes cultivés dans des photobioréacteurs airlift

Un autre objectif de l’invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est de réduire les contraintes mécaniques exercées sur les organismes phototrophes et particulièrement sur les micro-organismes.

Un autre objectif de l’invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est d’améliorer la distribution de la lumière au sein des photobioréacteurs airlift.

Un autre objectif de l’invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est de réduire voire éliminer les zones mortes présentes dans les photobioréacteurs de l’art antérieur.

Un autre objectif de l’invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est d’augmenter le rendement de production de biomasse.

Un autre objectif de l’invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est d’améliorer la distribution de la lumière au sein de chaque photobioréacteur.

Plus précisément, un objectif de l’invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est d’améliorer la croissance des organismes photosynthétiques et plus particulièrement des micro-organismes phototrophes cultivés dans un photobioréacteur airlift tout en réduisant les coûts. 4. Exposé de l’invention

Conformément à un mode de réalisation particulier, l’invention concerne un dispositif pour cultiver des organismes phototrophes comprenant au moins deux photobioréacteurs airlift, destinés à contenir un milieu de culture dans lequel sont immergés des organismes phototrophes, lesdits photobioréacteurs étant reliés et placés en série.

Selon l'invention, un tel dispositif comprend des photobioréacteurs airlift reliés par au moins deux jambes de circulation externes placées de part et d’autre de chaque photobioréacteur.

Par «phototrophes », on entendra par la suite tout organisme capable de photosynthèse. Sans limitation, les micro-organismes phototrophes qui peuvent être utilisés sont des algues ou micro-algues eucaryotes (Chlamydomonas reinhardtii, Scenedesmus obliquus, Neochloris oleoabundans, Chlorella vulgaris, Dunaliella tertiolecta, Dunaliella salina, Nannochloropsis salina...) ou des cyanobactéries (Spirulinaplatensis, Spirulina maxima).

Il est entendu que le nombre de photobioréacteurs compris dans le dispositif selon l’invention est déterminé en fonction de la surface disponible pour accueillir un tel dispositif.

Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, chaque photobioréacteur compris dans le dispositif pour cultiver des organismes phototrophes est relié au photobioréacteur qui le précède et qui le suit par au moins deux jambes de circulation externes. Il est entendu que le premier photobioréacteur de la série de photobioréacteurs compris dans le dispositif selon l’invention est relié uniquement au photobioréacteur qui le suit, et le dernier photobioréacteur de la série est quant à lui relié au photobioréacteur qui le précède.

Le principe général de l’invention repose sur la conception d’une série (ou de cascade) de photobioréacteurs (PBR) permettant la culture d’organismes phototrophes et plus particulièrement de micro-organismes tels que les microalgues. Selon l’invention, la circulation du milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes d’un photobioréacteur au photobioréacteur qui le suit est basée sur le principe de l’airlift.

On entend par « airlift », l’injection d’air comprimé dans des canalisations de diamètre réduit, encore appelées jambes de circulation. Ces jambes de circulation permettent de relier les photobioréacteurs entre eux par entraînement du milieu de culture dans lequel sont immergés des organismes phototrophes d’un premier photobioréacteur vers le photobioréacteur qui le suit. Le terme « suit » peut se comprendre « suit de manière latérale » c’est-à-dire de droite à gauche ou « suit de manière horizontale », c’est-à-dire de l’avant vers l’arrière.

La liaison des photobioréacteurs entre eux grâce à au moins deux jambes de circulation externes placées de part et d’autre de chaque photobioréacteur présente l’avantage d’augmenter le volume utile mais surtout d’augmenter également la productivité journalière de biomasse. Ainsi, les performances des photobioréacteurs airlift sont augmentées par rapport aux photobioréacteurs airlift de l’art antérieur.

On entend par « biomasse », la matière organique produite dans le photobioréacteur ou encore extraite du photobioréacteur. La biomasse peut être extraite de manière continue ou de manière ponctuelle.

La disposition des photobioréacteurs en série conformément à l’invention présente l’avantage, par rapport à un photobioréacteur airlift isolé, de réduire les zones mortes et de favoriser le mélange et l’homogénéité du milieu de culture contenu dans les photobioréacteurs ainsi que la recirculation du milieu de culture contenu dans les photobioréacteurs adjacents plutôt que dans le même photobioréacteur.

Par « série », on entend un ensemble de photobioréacteurs reliés entre eux par au moins deux jambes latérales dans des dispositions variées telles que disposés parallèlement les uns par rapport aux autres, juxtaposés, en colonne, en ligne, de manière superposée, ordonnée ou désordonnée...

On entend par « photobioréacteur », un dispositif fermé de culture d’organismes phototrophes et en particulier de micro-organismes phototrophes (e.g. nicroalgues). Par rapport à un bioréacteur, sa spécificité est d’utiliser, au moins lartiellement, un matériau transparent pour laisser passer la lumière nécessaire à la croissance des algues via le processus de photosynthèse lorsque le mode de lutrition de celles-ci est photo-autotrophique. De tels organismes utilisent comme lutriment principal, du carbone inorganique comme le dioxyde de carbone, [’hydrogénocarbonate, le carbonate. L’invention peut également être utilisée avec des microorganismes hétéro- ou mixotrophes. Ces derniers nécessitent alors l’ajout d’une source de carbone organique (ex : glucose, acétate...).

La culture des organismes phototrophes immergés dans un milieu de culture contenu dans les photobioréacteurs compris dans le dispositif selon l’invention peut notamment être réalisée en batch, en fed-batch ou « en continu de type chemostat ».

Dans le cas de cultures en batch, le photobioréacteur contenant du milieu de culture est inoculé avec une souche d’organismes phototrophes et en particulier une souche d’algue. Après plusieurs jours de croissance, lorsque l’optimum de croissance et/ou de production de composés d’intérêt, est atteint, une partie du milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes et, en particulier, une partie du milieu de culture comprenant des algues, est récoltée et remplacée par du milieu de culture frais afin d’initier une nouvelle culture.

Lors d’une culture fed-batch, la croissance de la culture est basée sur l’ajout dans le milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes, d'un substrat nutritif limitant la croissance de la culture. Un tel substrat est par exemple du dioxyde de carbone, du nitrate, ...

Dans le cas de cultures continues en chemostat, la souche d’organisme phototrophe est introduite dans un photobioréacteur réunissant toutes les conditions de croissance, en terme de nutriments, température, pH.... Après une phase d’adaptation de la souche, un débit constant de milieu de culture frais est ajouté dans chaque photobioréacteur, par pompage ou par un système de goutte-à-goutte. Un « trop-plein » du milieu de culture à l’intérieur du photobioréacteur permet de maintenir un volume constant et une densité cellulaire constante. Le « trop-plein » permet également de récupérer directement le milieu de culture comprenant les organismes phototrophes pour sa valorisation. Ce mode de culture permet le maintien d’une concentration en biomasse constante dans la série (cascade) de photobioréacteurs compris dans le dispositif selon l’invention. Il est aussi possible d’envisager un mode perfusé permettant, grâce à l’addition d’un filtre spécifique au sein d’un des photobioréacteurs, de concentrer les organismes phototrotrophes et en particulier de concentrer les micro-algues cultivés grâce au dispositif selon l’invention. Le milieu de culture peut, le cas échéant, être renouveler sans extraire les micro-algues des photobioréacteurs.

Selon un mode de réalisation privilégié de l’invention, les photobioréacteurs sont reliés entre eux par quatre jambes de circulation, deux jambes de circulation sur chaque face, latérale ou principale, de chaque photobioréacteur, à l’exception du premier et dernier photobioréacteur de la série qui eux peuvent être reliés au photobioréacteur qui le suit ou qui le précède par deux jambes de circulation.

Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, les jambes de circulation sont orientées de manière à créer un flux de la partie inférieure d’un photobioréacteur vers la partie supérieure du photobioréacteur qui le suit. De manière préférée, les jambes de circulation sont placées en position oblique afin d’obtenir un angle minimum suffisant par rapport à l’horizontal qui permette ainsi l’interconnection entre les photobioréacteurs et l’effet airlift par entrainement du milieu de culture d’un photobiréacteur vers un autre photobioréacteur.

Cette disposition particulière des jambes de circulation permet une meilleure circulation et un meilleur mélange du milieu de culture, dans lequel sont immergés les organismes phototrophes, contenu dans chaque photobioréacteur. Ainsi, le phénomène de sédimentation au fond de chaque photobioréacteur est fortement diminué et l’ajout d’un tube microporeux au fond de chaque photobioréacteur compris dans le dispositif selon l’invention n’est plus nécessaire. La disposition oblique des jambes de recirculation permet une meilleure circulation des organismes phototrophes et en particulier des micro-algues de la partie inférieure de chaque photobioréacteur vers le photobioréacteur suivant. Cette disposition permet également d’homogénéiser le pH et la température dans chaque photobioréacteur du dispositif conformément à l’invention.

Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, les jambes de circulation sont dans un matériau perméable à la lumière. Ainsi, le milieu de culture contenant les organismes phototrophes qui circule d’un photobioréacteur au photobioréacteur qui le suit est également exposé à la lumière à travers la paroi des jambes de circulation.

Selon l’invention, de telles jambes de circulation peuvent être fabriquées dans une matériau de type plastique, polymères transparents, acrylique , verre traité ou non...

Conformément à l’invention, les dimensions des jambes de circulation sont déterminées par les dimensions des photobioréacteurs et en particulier par l’épaisseur, la hauteur du photobioréacteur et l’espacement entre deux photobioréacteurs. Les dimensions des jambes de circulation sont notamment caractérisées comme suit : le diamètre est au maximum égal à l’épaisseur du photobioréacteur (par exemple : 50 mm) et la longueur, égale à la hauteur du photobioréacteur (par exemple : 600 mm) par rapport au sinus de l’angle formé par la jambe de recirculation et l’horizontale. Par exemple, les jambes de circulation mesurent environ 500 mm de long avec un diamètre interne de 22 mm et sont inclinées de 70° par rapport à l’horizontale.

Ces dimensions et cette inclinaison permettent la réalisation d’un espace minimum entre les dispositifs d’illumination et la face illuminée des photobioréacteurs et donc d’optimiser l’illumination des cultures.

Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, les jambes de circulation comprennent une partie rectiligne en forme de tube et des éléments courbés, tels que des coudes, aux extrémités du tube permettant de fixer la jambe de circulation sur chaque photobioréacteur.

Il est entendu que la forme de la jambe de circulation n’est pas limitée à la forme d’un tube. Elle peut notamment être de forme cylindrique ou tout autre forme adaptable au dispositif selon l’invention.

Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, au moins deux jambes de circulation grâce auxquelles un photobioréacteur est relié au photobioréacteur qui le précède ou qui le suit au sein du dispositif conformément à l’invention sont suffisamment distantes l’une de l’autre, sur une même face d’un photobioréacteur, pour permettre une bonne agitation.

La distance entre deux jambes de circulation successives placées sur les faces latérales d’un même côté de la série de photobioréacteurs est liée à la distance qui sépare deux photobioréacteurs successifs (ou la cas échéant juxtaposé), ces derniers étant eux-mêmes liés à l’épaisseur du dispositif; d’illumination placé entre chaque photobioréacteur.

Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, le dispositif d’illumination, placé entre chaque photobioréacteur, présente une épaisseur d’environ 50 mm (unité de référence : UR), la distance entre les photobioréacteurs est alors de 1,6 fois l’UR, la distance entre les deux jambes de circulation successives sur une même face, de manière préférée sur les faces latérales d’un même côté de la cascade de photobioréacteurs est alors de 3,5 fois l’UR.

Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, les photobioréacteurs airlift sont de forme parallélépipédique ou cubique.

Ces deux formes particulières de photobioréacteurs selon l’invention présentent l’avantage d’offrir une surface plane ayant un accès à une surface irradiée plus importante adaptée aux dispositifs d’illumination. De plus, ces formes parallélépipédique ou cubique permettent de faciliter le nettoyage de ces derniers et permet surtout d’optimiser l’hydrodynamique. Il est entendu que ces formes privilégiées ne sont pas limitatives. Par exemple, les photobioréacteurs airlift peuvent avoir une surface formée d’un tube en serpentin.

Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, les au moins deux photobioréacteurs reliés entre eux par au moins deux jambes de circulation, sont organisés de façon à ce que les faces principales des photobioéacteurs sont parallèles les unes par rapport aux autres.

On entend par « faces principales des photobioéacteurs » les surfaces ayant la plus grande diagonale et parallèles aux dispositifs d’illumination. Ainsi, le rayonnement provenant de ces derniers impactent de manière perpendiculaire les faces principales.

Ainsi, le dispositif selon l’invention permet un gain de place mais aussi une augmentation de la surface des photobioréacteurs qui peut être illuminée. Suivant la configuration des photobioréacteurs compris dans le dispositif selon l’invention, les jambes de circulation peuvent être placées sur une autre partie, différente des faces principales, de chaque photobioréacteur.

Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, le dispositif conforme à l’invention pour cultiver des organismes phototrophes comprend au moins deux photobioréacteurs airlift reliés grâce à au moins deux jambes de circulation externes placées sur les faces latérales de chaque photobioréacteur.

Les jambes de circulation présentes de part et d’autre de chaque photobioréacteur, sur les faces latérales, permettent une circulation de la suspension plus efficace d’un photobioréacteur à un autre, tout en diminuant l’encombrement spatial. Les inventeurs ont de plus montré que la présence d’au moins deux jambes de circulation permet de diminuer de manière surprenante le problème de sédimentation des organismes phototrophes au fond de chaque photobioréacteur du dispositif selon l’invention. Ainsi, la présence d’un tube microporeux au fond de chaque photobioréacteur n’est plus nécessaire. De plus, grâce à ce mode de réalisation particulier de l’invention, les zones mortes sont réduites augmentant ainsi le volume utile au sein du dispositif et une augmentation de la productivité quotidienne de la biomasse.

Il est entendu que les jambes de circulation peuvent également être présentes sur les faces principales de chaque photobioréacteur.

Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, le dispositif pour cultiver des organismes phototrophes comprend au moins deux photobioréacteurs airlift, destinés à contenir un milieu de culture dans lequel sont immergés des organismes phototrophes, lesdits photobioréacteurs étant reliés par au moins deux jambes de circulation externes, placées de part et d’autre de chaque photobioréacteur, lesdits photobioréacteurs étant placés en série, et sont en position verticale.

Ce mode de réalisation préféré de l’invention présente l’avantage de diminuer l’encombrement spatial mais surtout la pression hydrostatique. Cette disposition particulière des photobioréacteurs permet ainsi de réduire la surface au sol et d’augmenter le volume utile. Ce mode de réalisation particulier de l’invention, présente également l’avantage d’être compatible avec un dispositif d’illumination simple. Ainsi, la hauteur des photobioréateurs peut être diminuée au profit de leur démultiplication.

Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, les photobioréacteurs sont disposés verticalement et sont superposés. Dans cette configuration, les photobioréacteurs sont connectés les uns aux autres en étant superposés verticalement et sont alors fermés hermétiquement à l’exception du dernier photobioréacteur.

Selon un mode de réalisation particulier d’un dispositif de l’invention, les photobioréacteurs sont fabriqués dans un matériau perméable à la lumière. On entend par « perméable à la lumière », un matériau qui laisse passer la lumière. Ce matériau peut ainsi être par exemple du plastique, de l’acrylique, du polycarbonate, du plexiglass... Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, les photobioréacteurs sont en verre.

Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, au moins une des faces principales des photobioréacteurs est illuminée par un rayonnement lumineux.

Le rayonnement lumineux fournit l’énergie nécessaire à la réaction de photosynthèse. L’illumination peut être assurée par une source de lumière naturelle, c’est-à-dire par le soleil, et des guides de lumière. L’éclairage peut également être artificiel, par exemple avec des lampes comprenant une ampoule halogène, une ampoule à base de diodes électroluminescentes (« LEDs ») ou des tubes fluorescents. L’invention concerne également une méthode pour cultiver des organismes phototrophes utilisant des dispositifs tels que décrits précédemment.

Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, du CO2 est introduit dans le milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes cultivés dans un photobioréacteur airlift selon un dispositif conformément à l’invention. De manière préférée, le CO2 est introduit dans le milieu de culture via les jambes de circulation. Le CO2 peut notamment provenir des fumées de combustion issues d’industries. Le CO2 peut alors provenir de procédés industriels tels que des fours à chaux, des fours à verre ou encore des fours à oxycombustion. Ainsi l’invention permet de traiter le CO2 émis par les entreprises émettrices de CO2 et contribuer à diminuer la production de gaz à effet de serre. Les fours à oxycombustion, qui utilisent comme comburant de l’oxygène produisent des gaz particulièrement riches en CO2 et appauvris en produits secondaires, ce qui permet un traitement plus facile. Ainsi, le CO2 introduit dans le milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes, contenu dans chaque photobioréateur du dispositif conformément à l’invention, permet de fournir une source de carbone nécessaire à la croissance des organismes phototrophes mais aussi de réguler le pH du milieu de culture et de traiter des fumées contenant du CO2.

Ainsi, les jambes de circulation externes permettent la circulation du milieu de culture dans lequel sont immergés des organismes phototrophes, et en particulier des algues, du fond de chaque photobioréacteur vers le photobioréacteur suivant. Le milieu de culture dans lequel sont immergés des organismes phototrophes ainsi entraîné via les jambes de circulation permet également d’homogénéiser le pH et la température dans chaque photobioréacteur, mais joue également le rôle de contacteur du CO2 dans le milieu de culture

Préférentiellement, les micro-organismes phototrophes cultivés dans un dispositif selon l’invention comprennent au moins un des organismes phototrophes suivants : - Chlamydomonas reinhardtii, - Scenedesmus obliquus, - Neochloris oleoabundans, - Chlorella vulgaris, - Dunaliella tertiolecta, - Dunaliella salina, - Nannochloropsis salina, - Spirulina platensis, - Spirulina maxima.

Enfin, l’invention concerne également une méthode de traitement du CO2 utilisant des dispositifs tels que décrits précédemment.

Les avantages d’une telle méthode sont les mêmes que ceux des dispositifs selon l’invention, ils ne sont pas détaillés plus amplement. 5. Liste des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d’un mode de réalisation préférentiel, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels : • la figure 1 illustre une vue schématique d’un dispositif pour cultiver des organismes phototrophes selon la présente invention, • la figure 2 illustre une vue schématique d’une jambe de circulation externe, • la figure 3 illustre une vue schématique d’un photobioréacteur isolé selon la présente invention. 6. Description d’au moins un mode de réalisation de l’invention

On présente, en relation avec la figure 1, un mode de réalisation d’un dispositif pour cultiver des organismes phototrophes conformément à l’invention. L’invention repose notamment sur la mise en place d’une série de photobioréacteurs reliés entre eux par des jambes de circulation externes dans lesquelles de l’air comprimé est injecté pour réaliser la circulation du milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes et plus particulièrement des micro-algues, selon le principe de l’airlift (Fig. 2).

Conformément à l’invention, le dispositif pour cultiver des organismes phototrophes comprend une série (une cascade) de photobioréacteurs reliés entre eux par au moins deux jambes de circulation.

Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, les photobioréacteurs sont de forme parallélépipédique et sont formés par l’assemblage de plaques de verre. Sans être limitatif, le photobioréacteur peut être en polymères transparents: polycarbonate ou en plexiglass (polyméthacrylate de méthyle).

Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, un dispositif d’illumination est placé entre chaque photobioréacteur.

Le principe de l’airlift est utilisé pour réaliser la circulation du milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes et en particulier des micro-organismes phototrophes, l’homogénéisation des nutriments et une meilleure dissolution du dioxyde de carbone dans le milieu de culture. Il consiste en l’injection d’un gaz ou d’un mélange de gaz comprimés dans la partie inférieur d’une canalisation afin d’y entraîner le liquide s’y trouvant. Le fait que le liquide ne soit en contact avec aucun élément mécanique réduit le risque de destruction ou de stress des cellules.

Selon un mode de réalisation préférée de l’invention, les jambes de circulation présentent une partie rectiligne sous forme de tube fabriquée dans un matériau de type plastique, la partie courbée en forme de coude, pour l’injection d’air comprimé, étant de préférence en verre. Les jambes de circulation selon l’invention permettent ainsi de faire circuler le milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes et de préférence des micro-algues d’un photobioréacteur à un autre photobioréacteur. La circulation est ainsi obtenue grâce à l’injection dans la jambe de circulation d’air comprimé avec un débit compris par exemple entre 0,01 et 20 L/min, induisant un mouvement dans les photobioréacteurs adjacents, c’est-à-dire situés de part et d’autre du photobioréacteur.

Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, chaque photobioréacteur est relié par quatre jambes de circulation (à l’exception des deux photobioréacteurs qui terminent la série qui ne sont reliés qu’à deux jambes de circulation) et possède un point d’alimentation et un point d’extraction du milieu liquide contenu dans le photobioréacteur et en particulier le milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes. Cela présente notamment un avantage pour une culture en continue des organismes phototrophes.

Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, chaque photobioréacteur du dispositif est de forme parallélépipédique d’une largeur d’environ 450 mm et d’une hauteur de 600 mm et une épaisseur de 50 mm relié au photobioréacteur qui le suit et/ou qui le précède par quatre jambes de circulations, lesdites jambes étant réparties sur les deux faces latérales de chaque photobioréacteur tel qu’illustré par la Figure 1. Les jambes de circulation ont par exemple une longueur d’environ 550 mm et un diamètre d’environ 20 mm.

Du dioxyde de carbone est mélangé à de l’air comprimé ou à un gaz inerte, comme par exemple de l’azote, en tant que nutriment pour la croissance des organismes phototrophes et en particulier des micro-organismes photo-autotrophes. Le dioxyde de carbone peut également être ajouté dans le milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes et en particulier des micro-algues grâce à un flexible microporeux tapissant la partie inférieur (fond) de chaque photobioréacteur. Le dioxyde de carbone peut également servir de régulateur du pH du milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes et en particulier des micro-algues.

Des moyens de ventilation, tels que des ventilateurs, peuvent être placés, notamment sous les dispositifs d’illumination afin d’éviter réchauffement du milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes et plus particulièrement les micro-algues contenu dans chaque photobioréacteur compris dans le dispositif selon l’invention.

Le dispositif selon l’invention, peut comprendre en outre, un système d’extraction du milieu de culture contenu dans chaque photobioréacteur, ou un système de purge et/ou un système d’isolement d’une partie de la série de photobioréacteurs.

Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, chaque photobioréacteur du dispositif conformément à l’invention, peut être traité de façon isolée. Cela présente l’avantage de pouvoir extraire la biomasse sédimentée « naturellement » grâce à un moyen d’extraction tel qu’une canalisation d’extraction (de vidange) située dans la partie inférieure de chaque photobioréacteur pris individuellement sans entraver le bon fonctionnement des autres photobioréacteurs du dispositif.

Le choix des organismes phototrophes qui seront cultivés grâce à un dispositif selon l’invention est notamment motivé par la valorisation envisagée pour ces derniers. En effet, les organismes phototrophes peuvent être valorisés sous forme d’énergie (biocarburant, biogaz...), dans le domaine alimentaire (compléments alimentaires, aquaculture...), dans le domaine pharmaceutique (molécule d’intérêt, acides aminés, vitamines...), dans la dépollution des eaux (élimination des métaux lourds, dépollution organique, dénitrification...).

Le dispositif selon l’invention, comprend des photobioréacteurs placés en série. Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, les photobioréacteurs sont reliés entre eux par au moins deux jambes de circulation externes dans lesquelles de l’air comprimé est injecté pour réaliser la circulation du milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes, et plus particulièrement des micro-algues, contenu dans un photobioréacteur vers un autre photobioréacteur, selon le principe de l’airlift (Fig. 2).

Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, une série de cinq photobioréacteurs d’une contenance individuelle de 12 litres environ sont placés, organisés en série tel que montré dans la Figure 1.

Selon l’invention, l’espace entre chaque photobioréacteur peut être conditionné par le dispositif d’illumination qui sera utilisé pour illuminer le milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes.

Ainsi, si le dispositif d’illumination est mince, les photobioréacteurs peuvent être placés très près les uns des autres, l’angle d’inclinaison des jambes de circulation peut ainsi être augmenté. Cette mise en œuvre particulière de l’invention permet un gain de place, ainsi un plus grand nombre de photobioracteurs peuvent être placés dans un espace bien défini.

Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, l’agitation du milieu de culture dans lequel sont immergés des organismes phototrophes est à la fois verticale, notamment par l’injection du dioxyde de carbone grâce à un flexible microporeux tapissant la partie inférieure du photobioréacteur et horizontale, grâce aux jambes de circulation. L’air comprimé introduit dans chaque jambe de circulation en vue de réaliser de déplacement du milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes d’un photobioréacteur au photobioréacteur adjacent (situé devant ou derrière ou latéralement vis-à-vis du premeir photobioréacteur) provient d’une pompe volumétrique. Selon un exemple particulier de l’invention, le débit injecté dans chaque jambe est de 1,5 L/min.

Le dioxyde de carbone, nécessaire à la croissance des organismes phototrophes et en particulier des microalgues photosynthétiques autotrophes, est injecté grâce à un flexible microporeux tapissant la partie inférieure de chaque photobioréacteur. Grâce à une électrovanne, du dioxyde de carbone est injecté pour diminuer le pH du milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes, car la croissance des organismes phototrophes dans le milieu de culture conduit à une basification du milieu.

Les jambes de circulation du photobioréacteur airlift sont orientées de manière à créer un flux partant de la partie inférieure d’un premier photobioréacteur airlift vers la partie supérieure du photobioréacteur qui le suit. La vitesse du courant du milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes et en particulier les micro-algues, est alors contrôlée de manière à ce qu’elle soit comprise entre 7.10‘5m/s et 0.5 m/s.

La croissance des micro-organismes phototrophes dans un photobioréacteur et en particulier des micro-algues requiert de la lumière. Ainsi, selon l’invention les micro-organismes phototrophes peuvent être cultivés en présence d’une lumière artificielle d’une longueur d’onde comprise entre 450 et 475 nm et une longueur d’onde comprise entre 630 et 675 nm. La lumière peut être apportée par toute source lumineuse appropriée telle des LEDs, des lampes, des tubes fluorescents, ...

Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, l’illumination est assurée par un éclairage artificiel comprenant un assemblage de 4 tubes fluorescents, dont les principales radiations émises sont situées dans le domaine du visible, majoritairement du rouge (λ = 630 nm) et du bleu (λ = 450 nm) pour promouvoir la réaction de photosynthèse, un tel assemblage est placé entre chaque photobioréacteur. L’illumination moyenne de chaque photobioréacteur par ces tubes fluorescents est de 400 pmol de photons par mètre carré par seconde.

Exemples

Afin d’illustrer l’invention, des organismes phototrophes et en particulier des microalgues d’eau douce et marines ont été cultivées grâce à un dispositif selon l’invention. Les microorganismes ont été cultivé grâce à un dispositif selon l’invention qui comprend une série de cinq photobioréacteurs tel qu’illustré par la Figure 1. Chaque photobioréacteur du dispositif d’une contenance individuelle de 12 litres environ, est de forme parallélépipédique d’une largeur d’environ 450 mm, d’une hauteur de 600 mm et une épaisseur de 50 mm et est relié au photobioréacteur qui le suit et/ou qui le précède par quatre jambes de circulations, lesdites jambes étant réparties sur les deux faces latérales de chaque photobioréacteur. Les jambes de circulation ont une longueur d’environ 550 mm et un diamètre d’environ 20 mm.

Les jambes de circulation sont en matière plastique et les coudes sont en verre. Les jambes de circulation permettent de faire circuler le milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes d’un photobioréacteur à un autre. Pour ce faire, de l’air comprimé, dont le débit est compris entre 0,01 et 20 L/min, est injecté dans la jambe de circulation pour induire un mouvement dans les photobioréacteurs adjacents. L’agitation du milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes, et en particulier la microalgue marine Nannochloropsis satina ou la souche dulcicole Scenedesmus obliquus est à la fois verticale grâce à l’injection du dioxyde de carbone via un flexible microporeux tapissant le fond de chaque photobioréacteur et horizontale via les jambes de recirculation. L’illumination est assurée par un éclairage artificiel, un assemblage de 4 tubes fluorescents, dont les principales radiations émises sont situées dans le domaine du visible : majoritairement du rouge (λ = 630 nm) et du bleu (λ = 450 nm) pour promouvoir la réaction de photosynthèse, est inséré entre chaque photobioréacteur. Les tubes fluorescents permettent une illumination moyenne de chaque photobioréacteur d’environ 400 pmol de photons par mètre carré de photobioréacteur par seconde. L’air comprimé introduit dans chaque jambe de circulation afin de provoquer le mouvement du milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes d’un photobioréacteur au photobioréacteur qui le suit (ou qui le juxtapose le cas échéant) provient d’une pompe volumétrique. Le débit injecté dans chaque jambe est de 1,5 L/min.

Le dioxyde de carbone, nécessaire à la croissance des microalgues photosynthétiques autotrophes, est injecté via un flexible microporeux tapissant le fond de chaque photobioréacteur. Il provient d’une bonbonne de dioxyde de carbone d’une pureté de 99,995 %. Ce dernier sert également de régulateur de pH de la suspension algale. Via une électrovanne, du dioxyde de carbone est injecté pour diminuer le pH de la suspension rendue basique à cause de la croissance des microalgues.

Exemple 1

Ainsi, la microalgue marine Nannochloropsis salina a été cultivée dans un milieu synthétique ayant une salinité proche de l’eau de mer. La composition de ce milieu de culture est reprise dans le Tableau ci-dessous:

Les organismes phototrophes ont été cultivés selon certains paramètres physicochimiques. Ainsi, les microalgues ont été cultivées à : • une température comprise entre 26 et 30°C. • une valeur de pH stabilisée à 6,8 grâce à l’injection du dioxyde de carbone par l’intermédiaire d’une électrovanne reliée à une électrode pH. • une photopériode de la culture présentant 16 heures d’illumination et 8 heures d’obscurité pour reproduire les cycles de croissance durant la journée via la photosynthèse et les cycles de respiration cellulaire durant la phase nocturne.

Les microorganismes ont été cultivés durant 35 jours, les 5 premiers jours correspondant à la phase de latence, et entre le jour 5 et le jour 19 à la phase exponentielle et entre les jours 19 et 35 à la phase stationnaire.

Durant la phase exponentielle, la productivité en biomasse a atteint une valeur de 131,4 mg/L/jour.

Exemple 2

La souche dulcicole Scenedesmus obliquus a également été cultivée grâce à un dispositif selon l’invention. De tels organismes ont été cultivés dans un milieu de culture tel que décrit ci-dessous.

La souche dulcicole Scenedesmus a été cultivée selon certains paramètres physico-chimiques. Ainsi, les microalgues ont été cultivées à : • une température comprise entre 26 et 30°C, • une valeur du pH stabilisée à 6,8 grâce à l’injection du dioxyde de carbone par l’intermédiaire d’une électrovanne reliée à une électrode pH, • une photopériode de la culture présentant 16 heures d’illumination et 8 heures d’obscurité pour reproduire les cycles de croissance durant la journée via la photosynthèse et les cycles de respiration cellulaire durant la phase nocturne.

Ainsi, le dispositif selon l’invention a permis d’obtenir une croissance optimale des organismes phototrophes cultivés durant 32 jours, dont les 4 premiers jours correspondant à la phase de latence, du 4ème au 18ème jour à la phase exponentielle, et entre le 18 et le 32ème jour à la phase stationnaire.

Durant la phase exponentielle, une valeur de 127,1 mg/L/jour en terme de productivité en biomasse a été atteinte.

Exemple comparatif

Enfin, à titre comparatif, la microalgue marine Nannochloropsis salina a été cultivée grâce à dispositif selon l’invention, plus précisément dans un dispositif comprenant une série de cinq photobioréacteurs et dans cinq photobioréacteurs pris isolément.

Les conditions de culture et les dispositifs d’illumination et de réflexion des rayons lumineux sont rigoureusement identiques pour les deux configurations et sont identiques à ceux des Exemples 1 et 2. L’illumination fournie aux cultures durant ce comparatif a été diminuée à 170 pE/nfi.s'1.

La microalgue marine Nannochloropsis salina a été cultivée dans un milieu synthétique ayant une salinité proche de l’eau de mer. La composition de ce milieu de culture est reprise dans le tableau précédent.

Les inventeurs ont montré que pour une durée de 25 jours de culture, la productivité journalière en biomasse est de manière surprenante plus importante grâce au dispositif comprenant une série de cinq photobiréacteurs qu’à celle obtenue avec cinq photobioréacteurs pris isolément. Ainsi, une biomasse de 53 mg/L/jour pour les organismes phototrophes cultivés grâce au dispositif selon l’invention contre 28 mg/L/jour les organismes phototrophes cultivés dans cinq photobioréacteurs pris isolément.

La productivité en biomasse plus importante dans la cascade de PBRs peut s’expliquer par des considérations hydrodynamiques différentes par rapport au PBR seul ce qui génère un mélange plus homogène et moins de zones mortes.

Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation mentionnés ci-dessus.

En particulier, l’Homme du Métier pourra apporter toute variante dans le gaz injecté dans le photobioréacteur. Par exemple, un gaz différent du CO2 et de l’air peut être injecté dans l’airlift combiné. Ainsi, un gaz inerte de type diazote N2 peut être utilisé. En effet, le gaz N2 peut être utilisé pour éliminer l’ammoniac (NH3) formé par l’élévation du pH du milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes utilisant l’ammonium en vue de provoquer un stress nutritif en azote et ainsi augmenter la production lipidique. Le diazote permet également de dégazer l’oxygène produit par les réactions photosynthétiques et pouvant inhiber la croissance des micro-organismes à haute concentration et induire des réactions photochimiques néfastes pour la croissance des organismes phototrophes des cultures.

Claims (14)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif pour cultiver des organismes phototrophes comprenant au moins deux photobioréacteurs airlift, destinés à contenir un milieu de culture dans lequel sont immergés des organismes phototrophes, lesdits photobioréacteurs étant reliés et placés en série, caractérisé en ce que les photobioréacteurs sont reliés par au moins deux jambes de circulation externes, placées de part et d’autre de chaque photobioréacteur.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque photobioréacteur est relié au photobioréacteur qui le précède et le photobioréacteur qui le suit par au moins deux jambes de circulation externes à l’exception du premier et du dernier photobioréacteur de la série de photobioréacteurs compris dans le dispositif.
3. 3. Dispositif selon l’une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que les jambes de circulation sont orientées de manière à créer un flux de la partie inférieure d’un photobioréacteur vers la partie supérieure du photobioréacteur qui le suit.
4. 4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en que les jambes de circulation externes sont dans un matériau perméable à la lumière.
5. 5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en que au moins deux jambes distantes l’une de l’autre sont placées sur une même face d’un même photobioréacteur.
6. 6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les photobioréacteurs sont de forme parallélépipédique ou cubique.
7. 7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les au moins deux photobioréacteurs sont organisés de façon à ce que les faces principales des photobioéacteurs sont parallèles les unes par rapport aux autres.
8. 8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les au moins deux jambes de circulation externes sont placées sur les faces latérales de chaque photobioréacteur.
9. 9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les photobioréacteurs sont en position verticale.
10. 10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les photobioréacteurs sont dans un matériau perméable à la lumière.
11. 11. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que au moins une des faces principales des photobioréacteurs est illuminée par un rayonnement lumineux.
12. 12. Méthode pour cultiver des organismes phototrophes, caractérisée en ce que les organismes phototrophes sont cultivés dans un dispositif selon les revendications 1 à 11.
13. 13. Méthode selon la revendication 12, caractérisée en ce que du CO2 est ajouté au milieu de culture dans lequel sont immergés les organismes phototrophes.
14. 14. Méthode selon la revendication 13, caractérisée en ce que le CO2 est injecté dans lajambe de circulation.