Domaine de l'invention
[0001] La présente invention concerne un photobioréacteur-digesteur pour la culture de microorganismes photosynthétiques, notamment de microalgues, comme source de biomasse et pour la production de biogaz.
[0002] Un photobioréacteur connu comprend une enceinte renfermant des microorganismes photosynthétiques et un milieu nourrissant. Les microorganismes se trouvent en contact avec le milieu nourrissant et sont exposés au rayonnement solaire. Ainsi, ces microorganismes se multiplient et/ou grandissent. La production de biogaz se fait par fermentation des microorganismes dans un fermentateur/digesteur à l'aide de bactéries anaérobies.
Etat de la technique
[0003] On sait que les microalgues, notamment les algues unicellulaires du type plancton (phytoplancton) susceptibles d'être entraînées par des courants d'eau douce ou salée, sont capables de convertir le dioxyde de carbone (CO2) en biomasse et en oxygène (O2) en utilisant le rayonnement solaire comme source d'énergie et de l'eau (H2O), du dioxyde de carbone (CO2) ainsi que des sources d'azote (N), de soufre (S) et de phosphore (P) comme source de matière (processus de photosynthèse). Au niveau cellulaire, on observe ainsi une augmentation du nombre des microalgues unicellulaires.
[0004] On utilise ce processus pour cultiver des microalgues (aquaculture). En général, les microalgues sont cultivées dans des étangs naturels ou en bassins artificiels construits en plein air, comme par exemple les bassins de culture et les bassins d'oxydation pour le traitement des eaux usées. Cependant, dans des aquacultures "ouvertes" pour la culture de microalgues, on risque une contamination de la population de microalgues par des microorganismes envahisseurs, notamment des bactéries, qui peuvent déséquilibrer, voire détruire cette population de microalgues dans un tel photobioréacteur ouvert.
[0005] Pour remédier à ce problème, on peut recourir à une aquaculture fermée, pourvue d'une barrière hermétique destinée à protéger les microalgues de microorganismes dans l'atmosphère qui pourraient porter atteinte à la population de microalgues.
[0006] Malheureusement, les constructions de ce type sont assez onéreuses, notamment lorsqu' on essaie de réaliser des structures de photobioréacteur couvrant des superficies de plusieurs dizaines de mètres carrés, ce qui est indispensable d'un point de vue de rentabilité. Notamment, les coûts de construction de telles structures sont très élevés et rendent anti-économique la réalisation de cultures de dimensions vastes.
[0007] En ce qui concerne les fermentateurs/digesteurs, ils sont très souvent placés à un endroit séparé et plus ou moins écarté de la source de biomasse, ce qui rend difficile leur approvisionnement en biomasse.
[0008] En outre, les constructions de ce type sont assez onéreuses, notamment lorsqu' on essaie de réaliser des structures combinées de photobioréacteur et digesteur couvrant des superficies de plusieurs dizaines de mètres carrés, ce qui est indispensable d'un point de vue de rentabilité. Notamment, les coûts de construction de telles structures sont très élevés et rendent anti-économique la réalisation de cultures de dimensions vastes.
Description de l'invention
[0009] L'invention a pour objet un photobioréacteur-digesteur pour la culture de microorganismes photosynthétiques (phytoplancton), notamment de microalgues, comprenant une première enceinte renfermant des microorganismes photosynthétiques et un milieu nourrissant, les microorganismes se trouvant en contact avec ledit milieu nourrissant et exposés au rayonnement solaire. Selon l'invention, ladite première enceinte est reliée à une seconde enceinte renfermant des microorganismes photosynthétiques et un milieu digestif comprenant des bactéries anaérobies susceptibles de digérer lesdits microorganismes photosynthétiques en produisant du biogaz dans ladite seconde enceinte.
[0010] De cette manière, l'invention facilite la manipulation et le transport de la biomasse entre le photobioréacteur et le digesteur. De plus, l'invention permet à l'ensemble photobioréacteur/digesteur d'être un système fermé sans échappements incontrôlés de gaz avec une grande liberté de fonctionnement entre un mode continu d'une part et un mode discontinu d'autre part.
[0011] En mode continu, on amène de manière continue le milieu nourrissant dans le photobioréacteur, on retire ("récolte") de manière continue une partie de la biomasse produite dans le photobioréacteur pour la transporter de manière continue vers le digesteur dont on enlève de manière continue le biogaz (carburant) ainsi que des résidus liquides et solides (engrais). Lors de ces opérations, on veille à ce que, dans toutes les enceintes, les concentrations des différentes matières (gaz, liquides, solides) soient aussi près que possible des concentrations optimales qui maximisent le rendement et la vitesse du processus métabolique dans les microorganismes photosynthétiques (microalgues) ou dans les bactéries anaérobies.
[0012] En mode discontinu, on amène le milieu nourrissant dans le photobioréacteur. Puis, on ferme le photobioréacteur et on fait réagir pendant un certain temps le milieu nourrissant avec les microalgues dont le nombre augmente. Ensuite, on récolte une partie de la biomasse augmentée dans le photobioréacteur et on amène cette charge dans le digesteur. Puis, on ferme le digesteur et on fait réagir pendant un certain temps le milieu digestif avec les bactéries anaérobies pour produire du biogaz. Ensuite, on récolte une partie, de préférence la quasi-totalité, du biogaz produit à partir de la charge dans le digesteur.
[0013] En outre, l'invention permet de supprimer un envahissement du phytoplancton (population de microorganismes photosynthétiques) par du zooplancton prédateur (microorganismes non-photosynthétiques, par exemple des bactéries), évitant ainsi une prolifération de zooplancton aux dépens des populations de phytoplancton. On obtient donc des populations stables de phytoplancton/microalgues.
[0014] Puis, l'invention permet un enrichissement efficace du milieu nourrissant en dioxyde de carbone, indispensable pour une bonne productivité de biomasse à base de phytoplancton/microalgues.
[0015] Comme sus-mentionné, cette biomasse peut être "récoltée" en continu en veillant à ce que la concentration de la population de microorganismes reste sensiblement constante. Bien sûr, cette "récolte" de biomasse peut également s'effectuer de manière quasi-continue, c'est-à-dire avec des prélèvements d'une certaine quantité / portion de biomasse à des intervalles prédéterminés et suffisamment courts afin d'éviter des écarts trop importants entre la concentration instantanée en microorganismes et la concentration désirée pour un rendement optimal.
[0016] Ensuite, l'invention permet un contrôle et une commande efficace de la température du milieu nourrissant, donc des microalgues, ainsi que de la température du milieu digestif, donc des bactéries anaérobies, qui est également indispensable pour un bon rendement du processus photosynthétique et du processus de la digestion / fermentation anaérobie.
[0017] De préférence, ladite seconde enceinte (enceinte de fermentation) contribue à l'appui d'une paroi de ladite première enceinte (enceinte photosynthétique). Cette mesure augmente la stabilité de la première enceinte. Notamment, quand les enceintes sont remplies de matières liquides, solides et gazeuses, une partie de la paroi de la seconde enceinte contacte, voire épouse une partie de la paroi de ladite première enceinte. On voit que cette mesure contribue non seulement à la stabilité, mais aussi à la compacité de l'ensemble photobioréacteur-digesteur.
[0018] Dans une variante avantageuse, au moins une partie de ladite première enceinte est constituée d'une structure flexible supportée par la pression d'un gaz renfermé à l'intérieur de ladite première enceinte. Cela contribue à la construction d'un photobioréacteur léger à des coûts suffisamment bas pour rendre économique la réalisation de cultures de dimensions vastes. De même, au moins une partie de ladite seconde enceinte peut être constituée d'une structure flexible supportée par la pression d'un gaz renfermé à l'intérieur de ladite seconde enceinte. Cela contribue également à ou perfectionne la construction d'un photobioréacteur léger à des coûts encore plus bas pour rendre encore plus économique la réalisation de cultures de dimensions vastes.
[0019] Afin de permettre que suffisamment de photons entrent dans ladite première enceinte (enceinte photosynthétique), on préfère qu'au moins une partie de ladite première enceinte soit au moins partiellement transparante au rayonnement solaire. En plus, on peut prévoir un filtre UV dans cette partie pour éliminer ou réduire le rayonnement ultraviolet qui peut s'avérer nocif pour les microorganismes photosynthétiques dans ladite première enceinte.
[0020] Dans une variante préférée, ledit milieu nourrissant dans ladite première enceinte comprend une solution nourrissante dans laquelle lesdits microorganismes photosynthétiques sont suspendus. Cela permet un brassage facile de cette suspension lorsqu'elle est exposée au soleil. De préférence, ladite première enceinte comprend au moins un moyen d'entraînement susceptible d'entraîner et/ou brasser lesdits microorganismes photosynthétiques et ledit milieu nourrissant.
[0021] De préférence, sensiblement la totalité des parois desdites première et seconde enceintes peut être constituée d'une structure flexible. Les parois des enceintes peuvent donc être pliées, ce qui facilite le transport du photobioréacteur selon l'invention avant ou après son installation. En outre, la forme du photobioréacteur peut être modifiée selon les besoins.
[0022] Dans une autre variante préférée, ledit milieu digestif dans la seconde enceinte comprend une masse fluidique digestive dans laquelle lesdits microorganismes photosynthétiques et lesdites bactéries anaérobies sont distribués. De préférence, ladite masse digestive est susceptible d'être pompée.
[0023] Dans une variante avantageuse, lesdites première et seconde enceintes sont reliées l'une à l'autre par une conduite de transfert de biomasse. Cette variante constitue un système hermétique sans fuites de gaz ou de liquide et comprenant les deux enceintes et cette conduite.
[0024] La première enceinte peut comprendre une cloison (f) définissant un premier volume partiel d'un côté de ladite cloison et un second volume partiel de l'autre côté de ladite cloison, ainsi qu'un premier moyen d'entraînement disposé dans un premier passage dans ladite enceinte/cloison et un second moyen d'entraînement disposé dans un second passage dans ladite enceinte/cloison. De préférence, ledit premier passage se situe à une première extrémité de ladite (première enceinte) cloison et ledit second passage se situe à une seconde extrémité de ladite (première enceinte) cloison. Cet arrangement définit un parcours en forme de circuit selon lequel on peut faire circuler ladite solution nourrissante dans laquelle lesdits microorganismes photosynthétiques sont suspendus.
[0025] Ladite première enceinte et/ou ladite seconde enceinte peut être partiellement remplie d'un volume de liquide et partiellement remplie d'un volume de gaz au-dessus dudit liquide, de sorte que la pression dudit liquide supporte une partie inférieure et la pression dudit gaz supporte une partie supérieure de ladite première enceinte et/ou de ladite seconde enceinte. En variante, une partie inférieure de ladite première enceinte et/ou de ladite seconde enceinte peut être constituée d'une structure rigide tandis qu'une partie supérieure de ladite première enceinte et/ou de ladite seconde enceinte peut être constituée d'une structure flexible.
[0026] De préférence, le liquide dans ladite première enceinte est constitué de ladite suspension de microorganismes dans une solution nourrissante, tandis que le liquide dans ladite seconde enceinte est constitué de ladite masse fluidique digestive.
[0027] De préférence, le gaz dans ladite première enceinte (enceinte photosynthétique) comprend du dioxyde de carbone nécessaire pour le processus de photosynthèse. Il peut s'agir de dioxyde de carbone pur ou d'un mélange comportant ce-dernier, notamment de l'air enrichi en dioxyde de carbone. La présence simultanée, dans ladite première enceinte, de la solution nourrissante en bas et du dioxyde de carbone en haut permet une diffusion permanente de dioxyde de carbone vers la solution nourrissante pour y participer au métabolisme des microorganismes photosynthétiques suspendus dans cette-dernière.
[0028] De préférence, le gaz dans ladite seconde enceinte (enceinte digestive) comprend du méthane produit lors de la digestion de la biomasse, c'est-à-dire lors de la biodégradation des microorganismes photosynthétiques, en provenance de la première enceinte.
[0029] En ce qui concerne la structure du photobioréacteur, ladite première enceinte est en forme de tuyau et plus particulièrement en forme de tuyau comprenant au moins deux caissons séparés.
[0030] En ce qui concerne les premiers raccords du photobioréacteur-digesteur au niveau de son enceinte photosynthétique, ladite première enceinte comprend au moins une ouverture de gaz par laquelle un gaz peut être introduit dans ladite première enceinte ou retiré de cette-dernière. Cette ouverture de gaz permet d'une part, au début d'un cycle de production de biomasse, d'amener un "gaz nourrissant", c'est-à-dire de l'air, notamment de l'air riche en dioxyde de carbone, ou du dioxyde de carbone, et d'autre part, à la fin du cycle de production de biomasse, de retirer le gaz "consommé", c'est-à-dire de l'air plus pauvre en dioxyde de carbone et enrichi d'oxygène.
De préférence, ladite première enceinte comprend, d'une part, au moins une ouverture de gaz formée par un tuyau ou canal dont l'extrémité s'étend dans ledit milieu nourrissant, notamment ladite solution nourrissante avec ses microorganismes photosynthétiques suspendus, et, d'autre part, au moins une ouverture de gaz agencée au-dessus dudit milieu nourrissant, c'est-à-dire au-dessus de sa superficie dans l'espace gazeux. Au début d'un cycle de production de biomasse, on peut donc introduire l'air, notamment l'air riche en dioxyde de carbone, ou le dioxyde de carbone par ledit tuyau ou canal submergé, ce qui facilite la dissolution du dioxyde de carbone dans ladite solution aqueuse ou solution nourrissante.
A la fin du cycle, on peut donc retirer le gaz qui s'est formé dans l'espace gazeux, c'est-à-dire l'air, maintenant plus pauvre en dioxyde de carbone et plus riche en oxygène qu'au début du cycle. Le carbone du dioxyde de carbone et retiré de l'air introduit au début se trouve alors assimilé dans la biomasse produite lors de ce cycle de production.
[0031] En outre, ladite première enceinte comprend au moins une ouverture de liquide par laquelle un liquide peut être introduit dans ladite première enceinte ou retiré de cette-dernière. Cette ouverture de liquide permet l'introduction dudit milieu nourrissant, notamment ladite solution nourrissante qui comprend l'azote (N), le soufre (S), le phosphore (P) et d'autres "ingrédients" nécessaires pour le métabolisme d'un certain type de microorganismes photosynthétiques, notamment sous forme de sels dissous dans ladite solution aqueuse et constituant ladite solution nourrissante.
[0032] Normalement, si l'on travaille avec une solution nourrissante, il faut de temps en temps rajouter dans ladite solution nourrissante les "ingrédients" utilisés dans le métabolisme des microorganismes et donc consommés lors d'un cycle de production de biomasse. Etant donné qu'une grande partie du poids de la biomasse produite lors d'un cycle de production photosynthétique provient du dioxyde de carbone, il en résulte que le gaz qui comporte le dioxyde de carbone doit être remplacé plus souvent que la solution nourrissante. Ou bien, au lieu de remplacer cette-dernière, on peut se contenter de ne rajouter que ce qui est consommé lors de la production de biomasse.
[0033] En ce qui concerne les deuxièmes raccords du photobioréacteur-digesteur au niveau de son enceinte digestive, ladite seconde enceinte comprend au moins une ouverture de gaz par laquelle un gaz peut être introduit dans ladite seconde enceinte ou retiré de cette-dernière. De préférence, cette ouverture de gaz permet, à la fin d'un cycle de digestion de biomasse, de retirer du biogaz, c'est-à-dire un mélange comprenant du dioxyde de carbone et du méthane. Comme la digestion de la biomasse dans l'enceinte digestive s'effectue en régime anaérobie (méthanisation, en absence d'oxygène), ladite ouverture de gaz dans l'enceinte digestive reste fermée/bloquée hermétiquement lors du processus de méthanisation et est ouverte/débloquée de temps en temps en vue de retirer le biogaz produit.
[0034] En outre, ladite seconde enceinte comprend au moins une ouverture de liquide par laquelle un liquide peut être introduit dans ladite seconde enceinte ou retiré de cette-dernière. Ce liquide ou plutôt cette masse fluidique de biomasse est constituée par les microorganismes photosynthétiques récoltés et enrichis. Avant et/ou lors de la méthanisation dans la seconde enceinte (enceinte digestive), les microorganismes subissent un traitement mécanique, notamment ultrasonique, pour briser ou au moins affaiblir les parois des cellules photosynthétiques telles que les microalgues. Ce traitement facilite la digestion de cette biomasse par les microorganismes anaérobies. Au début d'un cycle de digestion, on introduit la masse fluidique de biomasse dans ladite enceinte digestive.
Après la digestion, on retire/enlève la masse par ladite au moins une ouverture de liquide. De préférence, l'enceinte digestive comprend au moins une ouverture de liquide à une hauteur au-dessus du niveau supérieur de la masse fluidique à digérer lorsque l'enceinte digestive est remplie de masse. C'est par cette ouverture que l'enceinte digestive peut être remplie de masse fluidique à digérer. En outre, on préfère avoir au moins une ouverture de liquide au fond de l'enceinte digestive ou dans une paroi latérale, chaque fois au niveau le plus bas de l'enceinte digestive. C'est par cette ouverture que l'enceinte digestive peut être évacuée en retirant/enlevant la masse fluidique digérée.
[0035] Dans une variante avantageuse, ladite ouverture de gaz et/ou ladite ouverture de liquide est contrôlable. Cela permet un contrôle des flux de matière lors des cycles de production de biomasse et de biogaz.
Brève description des dessins
[0036] L'invention sera bien comprise par la description ci-après d'un exemple de réalisation de l'invention, donné à titre nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lequels:
<tb>Fig. 1<sep>est une vue de dessus (plan schématique) d'un exemple de réalisation du photobioréacteur-digesteur selon l'invention;
<tb>Fig. 2<sep>est une vue en coupe longitudinale selon la ligne A-A dans la Fig. 1;
<tb>Fig. 3<sep>est une vue plus en détail et aussi en coupe longitudinale selon la ligne A-A dans la Fig. 1;
<tb>Fig. 4<sep>est une vue en coupe longitudinale selon la ligne B-B dans la Fig. 1;
<tb>Fig. 5<sep>est une vue en coupe transversale selon la ligne C-C dans la Fig. 1;
<tb>Fig. 6<sep>est une vue en coupe transversale selon la ligne D-D dans la Fig. 1 montrant un premier état du photobioréacteur; et
<tb>Fig. 7<sep>est la même vue en coupe transversale selon la ligne D-D dans la Fig. 1 montrant un deuxième état du photobioréacteur (déploiement des toiles transparentes du corps du photobioréacteur de la base et des digesteurs).
[0037] Les figures illustrent schématiquement les parties essentielles ainsi que des détails d'un exemple de réalisation de la présente invention:
[0038] Une structure a, nommée photobioréacteur, forme deux canaux parallèles réalisés en matériau transparent qui doit renfermer une suspension e contenant une culture de microalgues et une solution nourrissante, placée de façon à être exposée aux rayons solaires et en même temps tenue en dehors du contact direct avec l'air ambiant, de façon à former un milieu confiné ou relégué, ce qui permet de pressuriser l'intérieur et de régler les échanges d'air avec l'extérieur seulement à travers des ouvertures spéciales contrôlables.
[0039] Une base liquide L, d'épaisseur variable, contenue dans une enveloppe flexible opaque.
[0040] Deux digesteurs horizontaux 10a et 10b, réalisés en matériau flexible opaque, disposés de façon à embrasser et soutenir latéralement la structure a et la base L. A l'intérieur de ces digesteurs 10a et 10b s'effectue la digestion anaérobique de la biomasse provenant de la culture e.
[0041] Une couverture supérieure b qui ferme hermétiquement et isole ladite structure a. L'espace s2 formé entre la structure a et une toile supérieure b doit être pour vu d'une valve d'ouverture pour le contrôle de la pression et de la ventilation.
[0042] Un tuyau de ventilation d uni avec la structure a et permettant l'entrée de gaz pressurisé dans l'espace s1 situé au-dessus du liquide de culture e.
[0043] Un tuyau d'aération c2 qui alimente d'air l'espace s2 délimité par la toile supérieure b pour la réalisation d'un flux d'air en contre-courant avec fonction de régulation thermique.
[0044] Un gaz d nourrissant, composé par un mélange air + dioxyde de carbone sous pression.
[0045] Deux mélangeurs à aubes 2a et 2b pour le déplacement du liquide de culture e.
[0046] Une structure c4 qui contrôle le niveau de la biomasse en fermentation m et qui permet l'écoulement de l'effluent k.
[0047] Une vanne 11 à commande de pression (vanne au contrôle presso statique) qui règle la pression du biogaz g.
[0048] Deux supports terminaux aux extrémités 3a et 3b.
Description détaillée de l'exemple de réalisation de la présente invention
[0049] Les figures montrent, à l'intérieur du photobioréacteur, deux canaux parallèles avec une phase liquide peu profonde disposée de manière qu'elle soit éclairée supérieurement par les rayons solaires et tourbillonnée par les deux mélangeurs 2a et 2b qui réalisent la liaison entre les deux canaux parallèles divisés par une paroi f, elle aussi réalisée en matériau transparent, par exemple le même matérieu que pour la structure a.
[0050] Les deux digesteurs 10a et 10b et la base L limitent latéralement et intérieurement le photobioréacteur et ils sont remplis d'eau jusqu'au volume désiré.
[0051] La forme caractéristique, observable en section, est obtenue par l'action simultanée du poids de la masse du liquide de culture e d'une part et de l'effet de la pression intérieure dans l'espace s1 générée par le ventilateur 4. La couverture supérieure b ancrée aux deux extrémités 3a et 3b par des profils (qui ne sont pas représentés dans les figures) constitue la deuxième couverture avec fonction de réglage thermique.
[0052] La pression de l'air dans l'espace s2 générée par le ventilateur 5 soutient la couverture supérieure b. Cette pression est inférieure à la pression de l'air dans l'espace s1 générée par le ventilateur 4. La régulation ou une limitation des pressions internes dans les espaces s1 et s2 est possible au moyen des valves v1 et v2 calibrées pour s'ouvrir à une pression demandée ou prédéterminée.
[0053] Comme illustré dans l'exemple de réalisation, la présente invention rend possible l'élimination de toutes les structures intermédiaires de soutien, en permettant une économie constructive considérable.
[0054] Le photobioréacteur s'appuie sur la base L et l'eau qui le remplit réalise une surface plate et nivelée. L'interposition de cette base, entre le terrain et le photobioréacteur, en plus de créer une surface parfaitement horizontale, constitue une masse thermique importante pour le contrôle de la température du liquide de culture e. La base L permet donc un nivellement géométrique et un nivellement thermique.
[0055] Le remplissage des canaux est réalisé au moyen de la pompe 7 et de la valve 8, tandis que la récolte a lieu par l'ouverture de la valve 9.
[0056] Les mélangeurs 2a et 2b sont actionnés par les moteurs électriques 6 tournant à un nombre de tours suffisant pour induire un mouvement turbulent dans le liquide de culture.
[0057] Les structures 3a et 3b possèdent des parties verticales pleines ou massives qui délimitent sur les deux bouts l'espace s2, tandis que les tirants t servent pour renforcer la structure.
[0058] Le mélange gazeux air + dioxyde de carbone d, pressurisé par le ventilateur 4, est introduit, par le tuyau de ventilation d, dans l'espace s1 au-dessus de la suspension de microalgues e.
[0059] En restant en contact avec le liquide de culture, la différence de pression partielle pCO2 et pO2 entre le milieu de culture e (phase liquide) et le mélange gazeux d (phase gazeuse) permet l'échange mutuel, entre phase liquide et phase gazeuse, de dioxyde de carbone dans un premier sens vers la suspension du milieu de culture e d'une part et d'oxygène, produit par la photosynthèse dans les microalgues, dans le sens opposé vers le mélange gazeux d d'autre part.
[0060] La vitesse de déplacement du gaz doit être suffisamment lente pour permettre le meilleur échange des deux gaz. La ventilation pousse le gaz, maintenant épuisé, c'est-à-dire pauvre en CO2 et riche en O2, pour l'expulser vers l'extérieur à travers la valve v2, lorsque celle-ci s'ouvre, afin de stabiliser la pression interne.
[0061] Les mélangeurs 2a et 2b ont la charge de remuer la suspension de microalgues de façon à optimiser l'exposition à la lumière pendant le jour et éviter la sédimentation pendant la nuit.
[0062] Le photobioréacteur-digesteur selon la présente invention peut être utilisé aussi, au-delà de la production de microalgues, pour des cultures d'autres microorganismes photosynthétiques permettant la fixation de C02 et la production de biomasse.
[0063] D'un point de vue économique, il est avantageux de combiner la fixation de CO2 avec la production de biodiesel et avec la dépuration de déchets liquides urbains ou agricoles.
[0064] La biomasse produite, c'est-à-dire les microalgues, est récoltée et envoyée vers des installations extérieures (qui ne sont par représentées dans les figures) pour une filtration et/ou pour une extraction de lipides des cellules des microalgues. La biomasse épuisée h (dont les lipides ont été extraits) est (ré)introduite dans les digesteurs 10a et 10b à travers les conduites c3 pendant qu'une même quantité d'effluents k est expulsée par la conduite c4 dont la fonction est aussi de stabiliser le niveau de la masse m.
[0065] Le flux ainsi obtenu doit permettre d'obtenir, avec la longueur du digesteur, un temps de résidence de la biomasse dans le digesteur afin de maximiser la production de biogaz.
[0066] Le biogaz (mélange de CO2 et CH4) ainsi produit est stocké à l'intérieur des digesteurs mêmes qui fonctionnent aussi de gazomètre g. La pression du biogaz est tenue sous contrôle au moyen de la valve 11 (valve presso statique) et envoyé vers l'utilisateur final par la conduite c5.
[0067] Le photobioréacteur-digesteur selon l'invention peut être utilisé aussi, au-delà de la production de microorganismes photosynthétiques et notamment la production de microalgues, pour la fixation (séquestration) de C02, pour la production de biodiesel et de biogaz. Ces-derniers peuvent être utilisés pour la production d'énergie électrique et thermique dans des installations de cogénération.
Application industrielle
[0068] Les caractéristiques importantes pour l'application industrielle du photobioréacteur-digesteur de la présente invention sont les suivantes:
a) des canaux parallèles à flux horizontal qui contiennent le liquide de culture et qui peuvent être éclairés par les rayons du soleil, isolés de l'air extérieur par une surface (couverture) réalisée avec du matériel transparent et flexible,
b) une deuxième surface (couverture) également réalisée avec du matériel transparent et flexible, pour créer un tunnel transparent au-dessus des canaux sous-jacents,
c) les canaux et le tunnel assumant leur forme à cause de la pression interne,
d) des mélangeurs à l'intérieur des canaux et destinés à remuer avec leurs roues (pales et/ou aubes) le liquide de culture,
e) les canaux et le tunnel, fermés hermétiquement et pourvus de mécanismes de déchargement d'air,
permettant un réglage et/ou un ajustage et/ou une limitation de leur pressions internes,
f) les espaces gazeux au-dessus de la phase liquide subissant une pressurisation par un mélange gazeux comportant une partie variable de CO2 (de l'air enrichi en CO2) et avec fonction nutritive,
g) les canaux parallèles qui sont mis en communication à leurs extrémités afin de créer une continuité (circuit fermé pour le liquide nutritif),
h) le flux d'air enrichi de CO2 restant relégué ou confiné à l'intérieur et en contact constant avec le milieu de culture lors des périodes variables et réglables selon les besoins,
i) le flux d'air en espaces fermés avec fonction de régulation thermique au moyen de ventilateurs extérieurs,
j) les espaces réalisés pour la pressurisation pouvant être utilisés comme réservoirs pour les mélanges gazeux enrichis en CO2,
notamment pendant les périodes de nuit, et
k) une structure sans matériels rigides qui pourraient produire, sur toute leurs longueurs, des ombrages.
[0069] La présente invention permet la création d'installations modulaires à bas coût, basées sur un système à "autodrome" (raceway) couvert et qui utilisent du CO2 ou des déchets agricoles ou urbains riches en azote et phosphore et permettant une stabilité de la température et une croissance vigoureuse de la biomasse tout en minimisant les émissions externes.
[0070] Les avantages dérivant de la présente invention permettent de
1) réduire le coût énergétique de l'agitation du milieu de culture,
2) contrarier la prolifération de zooplancton prédateur dans le milieu de culture,
3) constituer un système efficace d'enrichissement en dioxyde de carbone indispensable pour une bonne productivité,
4) réaliser un système fermé qui permet de contrôler les échanges thermiques en rendant possible la gestion de la température du milieu de culture,
5) utiliser pour la construction des matériaux, donc des matériels transparent de bas coût et de disponibilité facile,
6) réaliser un système de photobioréacteurs-digesteurs fermés à bas coût de construction, qui rend économiquement avantageux des systèmes de cultures de dimensions vastes,
développés selon des critères de modularité et pour une production de biomasse destinée à être transformée en biocombustibles, biocarburants, bioplastiques, etc.
7) utiliser le biogaz produit sur place pour la production d'énergie électrique et thermique par l'emploi de cogénérateurs électriques alimentés par biogaz et le recyclage des gaz d'échappement (fumées riches en C02) en tant que gaz nourrissant à l'intérieur de l'ensemble photobioréacteur-digesteur même pour l'optimisation de la production de microalgues.
[0071] L'invention permet la culture de microalgues et la production de biogaz sur des bases efficaces et stables.
[0072] Avantageusement, un photobioréacteur-digesteur selon l'invention pour la culture de microalgues (photosynthèse) et pour la production de biogaz (méthanisation, fermentation anaérobie) comprend les élément suivants:
un photobioréacteur constitué de deux canaux parallèles à flux horizontal qui contiennent un liquide de culture et qui peuvent être éclairés par les rayons du soleil, isolés de l'air extérieur par une surface réalisée avec du matériel transparent et à l'intérieur desquels les échanges gazeux avec l'extérieur soient réglables au moyen d'ouvertures spéciales contrôlables pour permettre la photosynthèse dans le liquide de culture;
une base liquide horizontale, d'épaisseur variable, contenue dans une enveloppe flexible opaque sur laquelle s'appuie le photobioréacteur;
deux digesteurs horizontaux, réalisés en matériel flexible opaque, disposés de façon à embrasser et soutenir le photobioréacteur et la base latéralement, et à l'intéreur desquels peut s'effectuer la digestion anaérobique de la biomasse produite par photosyntèse dans le photobioréacteur adjacent;
une deuxième couverture flexible et transparente qui crée un tunnel transparent sur les deux canaux flexibles sous-jacent et également transparent, le tunnel assumant sa forme à cause de la pression interne dans les canaux d'une part et dans le tunnel d'autre part;
des roues de mélangeur contenues dans les canaux et destinées à remuer au moyen de roues le liquide de culture;
les canaux et le tunnel sont fermés hermétiquement et sont pourvus de mécanismes d'échappement ou de déchargement de gaz;
les canaux sont pressurisés par un mélange gazeux composé d'air et une partie variable de CO2 à fonction nutritive;
les canaux parallèles sont mis en continuité au moyen des mélangeurs;
le flux d'air enrichi de CO2 reste relégué à l'intérieur et en contact constant avec le milieu de culture pendant des temps réglables selon les besoins;
le tunnel constitue un espace fermé dans lequel un flux d'air tempéré permet la régulation thermique au moyen de ventilateurs extérieurs;
les espaces réalisés pour la pressurisation peuvent être utilisés comme réservoirs pour le mélange gazeux enrichi de CO2 pendant les périodes de nuit;
une structure de photobioréacteur-digesteur sans matériaux rigides qui pourraient produire, sur toute leur longueur, des ombrages;
une structure de photobioréacteur-digesteur permettant simultanément la production de biomasse par photosynthèse et la production de biogaz / biocombustibles par digestion anaérobique à partir de cette biomasse produite;
une structure permettant le recyclage des gaz provenant de la combustion des biocombustibles produits, en tant que gaz nourrissant.
Field of the invention
The present invention relates to a photobioreactor-digester for the cultivation of photosynthetic microorganisms, including microalgae, as a source of biomass and for the production of biogas.
[0002] A known photobioreactor comprises an enclosure containing photosynthetic microorganisms and a nourishing medium. The microorganisms are in contact with the nourishing medium and are exposed to solar radiation. Thus, these microorganisms multiply and / or grow. Biogas is produced by fermentation of microorganisms in a fermenter / digester using anaerobic bacteria.
State of the art
[0003] It is known that microalgae, in particular unicellular algae of the plankton type (phytoplankton) capable of being entrained by streams of fresh or salt water, are capable of converting carbon dioxide (CO2) into biomass and oxygen. (O2) using solar radiation as a source of energy and water (H2O), carbon dioxide (CO2) as well as sources of nitrogen (N), sulfur (S) and phosphorus (P). ) as a source of matter (photosynthesis process). At the cellular level, there is thus an increase in the number of unicellular microalgae.
[0004] This process is used to cultivate microalgae (aquaculture). In general, microalgae are cultivated in natural ponds or artificial basins built in the open air, for example culture basins and oxidation tanks for the treatment of wastewater. However, in "open" aquacultures for the culture of microalgae, there is a risk of contamination of the microalgae population by invading microorganisms, including bacteria, which can unbalance or even destroy this population of microalgae in such an open photobioreactor.
To overcome this problem, we can resort to closed aquaculture, provided with a hermetic barrier to protect microalgae microorganisms in the atmosphere that could affect the microalgae population.
Unfortunately, constructions of this type are quite expensive, especially when trying to achieve photobioreactor structures covering areas of several tens of square meters, which is essential from a profitability point of view. In particular, the construction costs of such structures are very high and make it uneconomic to produce large-scale crops.
As regards the fermenters / digesters, they are very often placed in a separate place and more or less removed from the biomass source, which makes it difficult to supply biomass.
In addition, the constructions of this type are quite expensive, especially when trying to achieve combined structures of photobioreactor and digester covering areas of several tens of square meters, which is essential from a point of view of profitability. In particular, the construction costs of such structures are very high and make it uneconomic to produce large-scale crops.
Description of the invention
The invention relates to a photobioreactor-digester for the culture of photosynthetic microorganisms (phytoplankton), including microalgae, comprising a first chamber containing photosynthetic microorganisms and a nourishing medium, the microorganisms being in contact with said nourishing medium and exposed to solar radiation. According to the invention, said first chamber is connected to a second chamber containing photosynthetic microorganisms and a digestive medium comprising anaerobic bacteria capable of digesting said photosynthetic microorganisms by producing biogas in said second chamber.
In this way, the invention facilitates the handling and transport of biomass between the photobioreactor and the digester. In addition, the invention enables the photobioreactor / digester unit to be a closed system without uncontrolled gas exhausts with great freedom of operation between a continuous mode on the one hand and a discontinuous mode on the other hand.
In continuous mode, the feeding medium is continuously brought into the photobioreactor, a portion of the biomass produced in the photobioreactor is continuously removed ("harvesting") in order to transport it continuously to the digester from which it is removed. continuously biogas (fuel) as well as liquid and solid residues (fertilizer). During these operations, it is ensured that, in all the chambers, the concentrations of the different materials (gases, liquids, solids) are as close as possible to the optimal concentrations that maximize the yield and the speed of the metabolic process in the photosynthetic microorganisms. (microalgae) or in anaerobic bacteria.
In batch mode, it brings the nourishing medium in the photobioreactor. Then, the photobioreactor is closed and the nourishing medium is reacted for a certain time with the microalgae, the number of which increases. Then, a portion of the increased biomass is collected in the photobioreactor and this charge is brought into the digester. Then, the digester is closed and the digestive system is reacted with the anaerobic bacteria for a certain time to produce biogas. Then, a portion, preferably almost all, of the biogas produced from the feed is collected in the digester.
In addition, the invention makes it possible to suppress phytoplankton invasion (population of photosynthetic microorganisms) by predacious zooplankton (non-photosynthetic microorganisms, for example bacteria), thus avoiding proliferation of zooplankton at the expense of phytoplankton populations. . Stable populations of phytoplankton / microalgae are thus obtained.
Then, the invention allows an efficient enrichment of the carbon dioxide nutrient medium, essential for good productivity of phytoplankton-based biomass / microalgae.
As mentioned above, this biomass can be "harvested" continuously by ensuring that the concentration of the population of microorganisms remains substantially constant. Of course, this "harvest" of biomass can also be done almost continuously, that is to say with samples of a certain quantity / portion of biomass at predetermined intervals and sufficiently short to avoid too large a difference between the instantaneous microorganism concentration and the desired concentration for optimal yield.
Then, the invention allows control and effective control of the temperature of the nourishing medium, so microalgae, and the temperature of the digestive environment, so anaerobic bacteria, which is also essential for a good performance of the process photosynthetic and the process of digestion / anaerobic fermentation.
Preferably, said second chamber (fermentation chamber) contributes to the support of a wall of said first chamber (photosynthetic chamber). This measurement increases the stability of the first speaker. In particular, when the enclosures are filled with liquid, solid and gaseous materials, part of the wall of the second enclosure contacts, or even marries a portion of the wall of said first enclosure. It can be seen that this measure contributes not only to the stability, but also to the compactness of the photobioreactor-digester unit.
In an advantageous variant, at least a portion of said first enclosure consists of a flexible structure supported by the pressure of a gas contained within said first enclosure. This contributes to the construction of a light photobioreactor at sufficiently low costs to make economical the production of large scale crops. Similarly, at least a portion of said second enclosure may be constituted by a flexible structure supported by the pressure of a gas enclosed within said second enclosure. This also contributes to or improves the construction of a light photobioreactor at even lower costs to make it even more economical to produce large scale crops.
To allow enough photons enter said first chamber (photosynthetic chamber), it is preferred that at least a portion of said first chamber is at least partially transparent to solar radiation. In addition, a UV filter can be provided in this part to eliminate or reduce the ultraviolet radiation that may be harmful to photosynthetic microorganisms in said first chamber.
In a preferred embodiment, said nutrient medium in said first chamber comprises a nourishing solution in which said photosynthetic microorganisms are suspended. This allows easy mixing of this suspension when exposed to the sun. Preferably, said first enclosure comprises at least one drive means capable of driving and / or stirring said photosynthetic microorganisms and said nourishing medium.
Preferably, substantially all of the walls of said first and second enclosures may consist of a flexible structure. The speaker walls can therefore be folded, which facilitates the transport of the photobioreactor according to the invention before or after its installation. In addition, the shape of the photobioreactor can be modified as needed.
In another preferred embodiment, said digestive medium in the second chamber comprises a digestive fluid mass in which said photosynthetic microorganisms and said anaerobic bacteria are distributed. Preferably, said digestive mass is capable of being pumped.
In an advantageous variant, said first and second enclosures are connected to one another by a biomass transfer line. This variant is a hermetic system without leakage of gas or liquid and comprising the two enclosures and this pipe.
The first chamber may comprise a partition (f) defining a first partial volume of one side of said partition and a second partial volume on the other side of said partition, and a first drive means disposed in a first passage in said enclosure / partition and a second drive means disposed in a second passage in said enclosure / partition. Preferably, said first passage is at a first end of said (first chamber) partition and said second passage is at a second end of said (first enclosure) partition. This arrangement defines a circuit-shaped path in which said nourishing solution in which said photosynthetic microorganisms are suspended can be circulated.
Said first chamber and / or said second chamber may be partially filled with a volume of liquid and partially filled with a volume of gas above said liquid, so that the pressure of said liquid supports a lower portion and the pressure of said gas supports an upper portion of said first chamber and / or said second chamber. As a variant, a lower portion of said first enclosure and / or said second enclosure may consist of a rigid structure while an upper part of said first enclosure and / or said second enclosure may consist of a flexible structure .
Preferably, the liquid in said first chamber consists of said suspension of microorganisms in a nourishing solution, while the liquid in said second chamber consists of said digestive fluid mass.
Preferably, the gas in said first chamber (photosynthetic chamber) comprises carbon dioxide necessary for the photosynthesis process. It can be pure carbon dioxide or a mixture comprising the latter, including air enriched with carbon dioxide. The simultaneous presence, in said first chamber, of the nourishing solution at the bottom and the carbon dioxide at the top allows permanent diffusion of carbon dioxide to the nourishing solution to participate in the metabolism of photosynthetic microorganisms suspended therein.
Preferably, the gas in said second enclosure (digestive enclosure) comprises methane produced during the digestion of the biomass, that is to say during the biodegradation of photosynthetic microorganisms, from the first chamber.
As regards the structure of the photobioreactor, said first enclosure is in the form of a pipe and more particularly in the form of pipe comprising at least two separate boxes.
As regards the first connections of the photobioreactor-digester at its photosynthetic chamber, said first chamber comprises at least one gas opening through which a gas can be introduced into said first chamber or withdrawn from it. This opening of gas makes it possible, on the one hand, at the beginning of a biomass production cycle, to bring a "nourishing gas", that is to say air, in particular air rich in dioxide. carbon dioxide, and on the other hand, at the end of the biomass production cycle, to withdraw the "consumed" gas, ie the air that is lower in carbon dioxide. and enriched with oxygen.
Preferably, said first enclosure comprises, on the one hand, at least one gas opening formed by a pipe or channel whose end extends into said nourishing medium, especially said nourishing solution with its suspended photosynthetic microorganisms, and, on the other hand, at least one opening of gas arranged above said nourishing medium, that is to say above its area in the gaseous space. At the beginning of a biomass production cycle, air, especially air rich in carbon dioxide, or carbon dioxide can be introduced through the submerged pipe or channel, which facilitates the dissolution of carbon dioxide. in said aqueous solution or nourishing solution.
At the end of the cycle, it is possible to remove the gas that has formed in the gas space, that is to say the air, now poorer in carbon dioxide and richer in oxygen than at the beginning. of the cycle. The carbon dioxide carbon removed from the air introduced at the beginning is then assimilated into the biomass produced during this production cycle.
In addition, said first enclosure comprises at least one liquid opening through which a liquid can be introduced into said first chamber or removed from it. This opening of liquid allows the introduction of said nourishing medium, especially said nourishing solution which comprises nitrogen (N), sulfur (S), phosphorus (P) and other "ingredients" necessary for the metabolism of a certain type of photosynthetic microorganisms, especially in the form of salts dissolved in said aqueous solution and constituting said nourishing solution.
Normally, if one works with a nourishing solution, it is necessary from time to time to add in said nourishing solution the "ingredients" used in the metabolism of microorganisms and therefore consumed during a cycle of biomass production. Since a large part of the biomass produced during a photosynthetic production cycle comes from carbon dioxide, the result is that the gas containing carbon dioxide has to be replaced more often than the nutrient solution. Or, instead of replacing the latter, one can be content to add only what is consumed during the production of biomass.
As regards the second connections of the photobioreactor-digester at its digestive chamber, said second chamber comprises at least one gas opening through which a gas can be introduced into said second chamber or withdrawn thereof. Preferably, this gas opening makes it possible, at the end of a biomass digestion cycle, to remove biogas, that is to say a mixture comprising carbon dioxide and methane. As digestion of the biomass in the digestive chamber is carried out anaerobically (anaerobic digestion, in the absence of oxygen), said opening of gas in the digestive chamber remains closed / hermetically blocked during the methanation process and is open / unlocked from time to time to remove the biogas produced.
In addition, said second enclosure comprises at least one liquid opening through which a liquid can be introduced into said second enclosure or removed from it. This liquid or rather this fluid mass of biomass is constituted by the photosynthetic microorganisms harvested and enriched. Before and / or during methanation in the second enclosure (digestive enclosure), the microorganisms undergo a mechanical treatment, including ultrasonic treatment, to break or at least weaken the walls of photosynthetic cells such as microalgae. This treatment facilitates the digestion of this biomass by anaerobic microorganisms. At the beginning of a digestion cycle, the fluid mass of biomass is introduced into said digestive chamber.
After digestion, the mass is removed / removed by the at least one liquid opening. Preferably, the digestive enclosure comprises at least one liquid opening at a height above the upper level of the fluid mass to be digested when the digestive enclosure is filled with mass. It is through this opening that the digestive enclosure can be filled with fluidic mass to digest. In addition, it is preferred to have at least one opening of liquid at the bottom of the digestive enclosure or in a side wall, each time at the lowest level of the digestive enclosure. It is through this opening that the digestive enclosure can be evacuated by removing / removing the digested fluidic mass.
In an advantageous variant, said gas opening and / or said liquid opening is controllable. This allows a control of material flows during the cycles of biomass and biogas production.
Brief description of the drawings
The invention will be better understood from the following description of an exemplary embodiment of the invention, given by way of non-limiting example, with reference to the accompanying drawings in which:
<Tb> Fig. 1 <sep> is a top view (schematic plan) of an exemplary embodiment of the photobioreactor-digester according to the invention;
<Tb> Fig. 2 <sep> is a longitudinal sectional view along the line A-A in FIG. 1;
<Tb> Fig. 3 <sep> is a more detailed view and also in longitudinal section along line A-A in FIG. 1;
<Tb> Fig. 4 <sep> is a longitudinal sectional view along line B-B in FIG. 1;
<Tb> Fig. 5 <sep> is a cross-sectional view along line C-C in FIG. 1;
<Tb> Fig. 6 <sep> is a cross-sectional view along line D-D in FIG. 1 showing a first state of the photobioreactor; and
<Tb> Fig. 7 <sep> is the same cross-sectional view along line D-D in FIG. 1 showing a second state of the photobioreactor (deployment of transparent canvases of the body of the photobioreactor base and digesters).
The figures schematically illustrate the essential parts as well as details of an exemplary embodiment of the present invention:
A structure, named photobioreactor, forms two parallel channels made of transparent material which must contain a suspension e containing a culture of microalgae and a nourishing solution, placed so as to be exposed to sunlight and at the same time held out direct contact with the ambient air, so as to form a confined or relegated environment, which allows to pressurize the interior and to regulate the air exchanges with the outside only through controllable special openings.
A liquid base L, of varying thickness, contained in an opaque flexible envelope.
Two horizontal digesters 10a and 10b, made of opaque flexible material, arranged to embrace and laterally support the structure a and the base L. Inside these digesters 10a and 10b is the anaerobic digestion of the biomass from culture e.
An upper cover b which hermetically closes and isolates said structure a. The space s2 formed between the structure a and an upper fabric b must be seen from an opening valve for the control of pressure and ventilation.
A ventilation pipe d united with the structure and allowing the entry of pressurized gas in the space s1 located above the culture liquid e.
A ventilation pipe c2 which supplies air space s2 delimited by the upper fabric b for producing a flow of air against the current with thermal regulation function.
A feeding gas composed of a mixture of air + carbon dioxide under pressure.
Two bladed mixers 2a and 2b for the displacement of the culture liquid e.
A structure c4 which controls the level of the biomass in fermentation m and which allows the flow of the effluent k.
A valve 11 to pressure control (valve presso static control) that regulates the pressure of biogas g.
Two terminal supports at the ends 3a and 3b.
Detailed description of the exemplary embodiment of the present invention
The figures show, inside the photobioreactor, two parallel channels with a shallow liquid phase disposed so that it is illuminated by the solar rays and swirled by the two mixers 2a and 2b which make the connection between the two parallel channels divided by a wall f, also made of transparent material, for example the same material as for the structure a.
The two digesters 10a and 10b and the base L limit laterally and internally the photobioreactor and they are filled with water to the desired volume.
The characteristic shape, observable in section, is obtained by the simultaneous action of the weight of the mass of the culture liquid e on the one hand and the effect of the internal pressure in the space s1 generated by the fan 4. The upper cover b anchored at both ends 3a and 3b by profiles (which are not shown in the figures) is the second cover with thermal adjustment function.
The air pressure in the space s2 generated by the fan 5 supports the upper cover b. This pressure is lower than the air pressure in the space s1 generated by the fan 4. The regulation or limitation of the internal pressures in the spaces s1 and s2 is possible by means of the valves v1 and v2 calibrated to open at a requested or predetermined pressure.
As illustrated in the exemplary embodiment, the present invention makes possible the elimination of all intermediate support structures, allowing considerable constructive economy.
The photobioreactor is based on the base L and the water that fills it produces a flat and leveled surface. The interposition of this base, between the ground and the photobioreactor, in addition to creating a perfectly horizontal surface, constitutes an important thermal mass for the control of the temperature of the culture liquid e. The base L thus allows geometric leveling and thermal leveling.
The filling of the channels is achieved by means of the pump 7 and the valve 8, while the harvest takes place by the opening of the valve 9.
The mixers 2a and 2b are actuated by the electric motors 6 rotating at a sufficient number of turns to induce a turbulent movement in the culture liquid.
The structures 3a and 3b have solid or solid vertical parts which delimit on the two ends the space s2, while the tie rods t serve to reinforce the structure.
The gas mixture air + carbon dioxide d, pressurized by the fan 4, is introduced through the ventilation pipe d into the space s1 above the microalgae suspension e.
By remaining in contact with the culture liquid, the difference in partial pressure pCO2 and pO2 between the culture medium e (liquid phase) and the gas mixture (gaseous phase) allows the mutual exchange, between liquid phase and gas phase, carbon dioxide in a first direction to the suspension of the culture medium e on the one hand and oxygen, produced by photosynthesis in microalgae, in the opposite direction to the gaseous mixture d on the other hand.
The speed of movement of the gas must be slow enough to allow the best exchange of the two gases. Ventilation pushes the gas, now exhausted, that is to say, low in CO2 and rich in O2, to expel it outwards through the valve v2, when it opens, in order to stabilize the internal pressure.
Mixers 2a and 2b are responsible for stirring the suspension of microalgae so as to optimize exposure to light during the day and avoid sedimentation during the night.
The photobioreactor-digester according to the present invention can also be used, beyond the production of microalgae, for cultures of other photosynthetic microorganisms for the fixation of CO2 and the production of biomass.
From an economic point of view, it is advantageous to combine the fixation of CO2 with the production of biodiesel and with the purification of urban or agricultural liquid waste.
The biomass produced, that is to say the microalgae, is harvested and sent to external facilities (which are not shown in the figures) for filtration and / or for lipid extraction of the microalgae cells. . Exhausted biomass h (from which the lipids have been extracted) is (re) introduced into digesters 10a and 10b through lines c3 while the same quantity of effluents k is expelled via line c4 whose function is also stabilize the level of mass m.
The flow thus obtained must make it possible, along with the length of the digester, to obtain a residence time of the biomass in the digester in order to maximize the production of biogas.
The biogas (mixture of CO2 and CH4) thus produced is stored inside the same digesters which also operate g gasometer. The pressure of the biogas is kept under control by means of the valve 11 (presso static valve) and sent to the end user by the pipe c5.
The photobioreactor-digester according to the invention can also be used, beyond the production of photosynthetic microorganisms and in particular the production of microalgae, for the fixation (sequestration) of CO2, for the production of biodiesel and biogas. These can be used for the production of electrical and thermal energy in cogeneration plants.
Industrial application
The important characteristics for the industrial application of the photobioreactor-digester of the present invention are as follows:
(a) Horizontal flow parallel channels which contain the culture liquid and which can be illuminated by the sun's rays, isolated from the outside air by a surface (cover) made of transparent and flexible material,
b) a second surface (cover) also made with transparent and flexible material, to create a transparent tunnel over the underlying channels,
(c) the channels and the tunnel assuming their shape because of the internal pressure,
d) mixers inside the channels and intended to stir with their wheels (blades and / or blades) the culture liquid,
e) the channels and the tunnel, hermetically closed and provided with mechanisms for unloading air,
allowing adjustment and / or adjustment and / or limitation of their internal pressures,
f) the gaseous spaces above the liquid phase being pressurized by a gaseous mixture comprising a variable portion of CO2 (CO2-enriched air) and with a nutrient function,
g) the parallel channels that are communicated at their ends to create continuity (closed circuit for the nutrient liquid),
h) the flow of air enriched with CO2 remaining relegated or confined inside and in constant contact with the culture medium during variable periods and adjustable as needed,
i) air flow in closed spaces with thermal regulation function by means of external fans,
j) Spaces made for pressurization that can be used as reservoirs for CO2 enriched gas mixtures,
especially during the night periods, and
(k) a structure without rigid materials that could produce shade throughout their lengths.
The present invention allows the creation of low-cost modular installations, based on a "race covered" autodrome system that uses CO2 or agricultural or urban waste rich in nitrogen and phosphorus and which allows a stability of temperature and vigorous growth of biomass while minimizing external emissions.
The advantages deriving from the present invention make it possible to
1) reduce the energy cost of agitation of the culture medium,
2) to thwart the proliferation of predacious zooplankton in the culture medium,
3) build an efficient system of carbon dioxide enrichment essential for good productivity,
4) to realize a closed system which makes it possible to control the thermal exchanges by making possible the management of the temperature of the culture medium,
5) use for the construction of materials, so transparent materials of low cost and easy availability,
6) to realize a system of photobioreactors-digesters closed low cost of construction, which makes economically advantageous farming systems of large dimensions,
developed according to modularity criteria and for biomass production intended to be transformed into biofuels, biofuels, bioplastics, etc.
7) to use locally produced biogas for the production of electrical and thermal energy through the use of biogas-powered electric cogenerators and the recycling of exhaust gases (C02-rich fumes) as an indoor feed gas of the whole photobioreactor-digester even for the optimization of the production of microalgae.
The invention allows the cultivation of microalgae and the production of biogas on efficient and stable bases.
Advantageously, a photobioreactor-digester according to the invention for the cultivation of microalgae (photosynthesis) and for the production of biogas (methanation, anaerobic fermentation) comprises the following elements:
a photobioreactor consisting of two parallel horizontal-flow channels which contain a culture liquid and which can be illuminated by the sun's rays, isolated from the outside air by a surface made of transparent material and inside which the gas exchange with the outside being adjustable by means of controllable special openings to allow photosynthesis in the culture liquid;
a horizontal liquid base, of variable thickness, contained in an opaque flexible envelope on which the photobioreactor rests;
two horizontal digesters, made of opaque flexible material, arranged to embrace and support the photobioreactor and the base laterally, and within which anaerobic digestion of the biomass produced by photosynthesis in the adjacent photobioreactor can take place;
a second flexible and transparent cover that creates a transparent tunnel on the two underlying flexible channels and also transparent, the tunnel assuming its shape because of the internal pressure in the channels on the one hand and in the tunnel on the other hand;
mixer wheels contained in the channels and intended to stir the culture liquid by means of wheels;
the channels and the tunnel are hermetically closed and are provided with mechanisms for exhausting or discharging gases;
the channels are pressurized by a gaseous mixture composed of air and a variable portion of CO2 with a nutritive function;
the parallel channels are put in continuity by means of the mixers;
the flow of air enriched with CO2 remains relegated to the interior and in constant contact with the culture medium for adjustable times as required;
the tunnel constitutes a closed space in which a temperate air flow allows the thermal regulation by means of external fans;
spaces made for pressurization can be used as reservoirs for the gaseous mixture enriched with CO2 during the night periods;
a photobioreactor-digester structure without rigid materials that could produce, over their entire length, shading;
a photobioreactor-digester structure that simultaneously enables the production of biomass by photosynthesis and the production of biogas / biofuels by anaerobic digestion from this biomass produced;
a structure allowing the recycling of the gases resulting from the combustion of the biofuels produced, as a nourishing gas.