BE1019198A3 - Procede d'epuration de gaz comprenant du co2 et dispositif correspondant. - Google Patents

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BE1019198A3 BE2010/0118A BE201000118A BE1019198A3 BE 1019198 A3 BE1019198 A3 BE 1019198A3 BE 2010/0118 A BE2010/0118 A BE 2010/0118A BE 201000118 A BE201000118 A BE 201000118A BE 1019198 A3 BE1019198 A3 BE 1019198A3
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Abstract

L'invention concerne un procédé d'épuration de gaz comprenant du CO2 au moyen d'organismes phototrophes et le dispositif correspondant. Selon l'invention, un tel procédé comprend les étapes suivantes: a) apport (801) d'eau provenant d'une source d'eau; b) captation et lavage (802) du gaz dans un absorbeur comprenant au moins une portion de l'eau de manière à obtenir une solution aqueuse de CO2; c) à partir d'au moins une portion de l'eau, préparation (803) d'une solution aqueuse comprenant des nutriments; d) injection (804) dans un photobioréacteur comprenant les organismes phototrophes d'au moins une portion de la solution aqueuse de CO2 et d'au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments; e) illumination (805) du contenu du photobioréacteur par un rayonnement lumineux; les étapes (b) et (c) pouvant être interverties ou simultanées.

Description

Procédé d’épuration de gaz comprenant du CO2 et dispositif correspondant 1. Domaine de l’invention
La présente invention concerne le traitement de gaz comprenant du dioxyde de carbone, notamment les gaz de combustion renfermant une part significative de dioxyde de carbone.
2. Solutions de l’art antérieur
Les règlementations qui visent à limiter les émissions de gaz notamment à effet de serre se multiplient. Les règlementations en question sont le plus souvent assorties de pénalités pour ceux qui ne se conforment pas aux exigences formulées. De façon significative les exigences sont de plus en plus contraignantes. Les industries notamment qui constituent une source importante d’émission de ces gaz sont conduites à trouver des solutions permettant d’atteindre les conditions satisfaisant à ces règlementations.
Par nature certaines industries qui consomment de grandes quantités d’énergies fossiles, produisent également de grandes quantités de gaz de combustion contenant ces gaz dont l’émission est réglementée. Toutes les industries dans les productions desquelles la mise en œuvre de fusion calcination, traitement thermique de toute nature sont concernées. Parmi celles-ci les centrales thermiques, la sidérurgie, les productions de verre, le raffinage des produits pétroliers, les cimenteries, les productions de chaux...
A l’heure actuelle la recherche s’est portée principalement sur les techniques permettant de réduire les émissions de gaz, et ce de deux manières : en limitant la consommation des combustibles fossiles d’une part, et en capturant et/ou stockant les gaz émis d’autre part.
La première voie (limiter la consommation) s’est portée vers l’utilisation de sources d’énergie n’engendrant pas de gaz de combustion. Ces sources sont cependant généralement plus coûteuses et ne font souvent que déplacer les émissions vers des industries situées en amont. C’est le cas de l’énergie électrique lorsque celle-ci est produite dans des centrales thermiques par exemple.
La seconde voie consiste, elle, à disposer de moyens permettant de limiter le rejet de gaz dans l’atmosphère. Des solutions consistent à capturer et stocker ces gaz dans la mesure où cette solution est industriellement possible. Ceci est pratiqué par exemple sur certains sites de production de gaz naturel ou de pétrole, ou même de mines. Les gaz sont par exemple réintroduits dans les poches souterraines dont proviennent les combustibles extraits.
La suppression des gaz comme le dioxyde de carbone peut aussi faire l’objet de traitements qui conduisent à fixer ce gaz sous une forme chimique sans incidence sur l’environnement, par exemple sous forme de carbonate de calcium. Les produits de cette transformation ne sont pas d’une valeur significative. Le coût global est donc relativement important.
D’autres solutions consistent à utiliser des algues capables de photosynthèse dans des réacteurs appelés « photobioréacteurs >>. De tels organismes synthétisent leur matière organique en exploitant la lumière (du Soleil) et en fixant le dioxyde de carbone (ci-après désigné par CO2). Outre le CO2, leurs besoins sont l’eau et des éléments nutritifs présents par exemple dans le sol. Les produits obtenus sont de la matière organique également appelée « biomasse », et de l’oxygène (ci-après désigné par O2) également appelé « oxygène métabolique ». La réaction de photosynthèse peut être résumée par l’équation chimique suivante : n CO2 + η H2O (CTLOjn + η O2 (équation 1).
Le schéma traditionnel de culture d’algues est alors le suivant : de l’eau enrichie en nutriments est introduite dans le photobioréacteur. Par ailleurs, du CO2 est introduit dans le photobioréacteur et le photobioréacteur reçoit un rayonnement lumineux, qui apporte l’énergie nécessaire à la réaction. Dans ces systèmes, le CO2 provient soit de l’air atmosphérique, soit de gaz riches en CO2 (CO2 pur, gaz de combustion, air synthétique, ...).
Dans le cas des gaz riches en CO2, l’injection de ces gaz est réalisée sous une forme comprimée. En effet, cette compression est nécessaire pour vaincre la contre-pression de l’eau de culture, mais elle représente un coût énergétique de l’ordre de 10% ou plus de l’énergie produite par la biomasse algale.
Pour éviter cette compression énergivore, la demande de brevet n°US2008178739Al propose une solution selon laquelle les algues sont cultivées dans un plan horizontal surmonté d’une atmosphère synthétique enrichie en CO2. Cependant, cette solution présente deux inconvénients. Tout d’abord la température des gaz doit être limitée pour éviter de détruire la culture d’algue en chauffant l’eau au-delà d’une valeur critique, qui dépend de la souche utilisée. Par ailleurs, dans un tel dispositif, la surface de contact gaz/eau doit être suffisamment grande pour permettre une bonne diffusion du C02 dans l’eau. Cette dernière caractéristique constitue l’inconvénient majeur d’un tel dispositif.
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 de fournir un procédé d’épuration de gaz ou fumées riches en CO2, par exemple un gaz de combustion, au moyen d’organismes phototrophes dans un photobioréacteur, qui soit moins coûteux en énergie que les procédés classiques. Par « phototrophe », on entendra par la suite tout organisme capable de photosynthèse.
Un autre objectif de l’invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est de mettre en œuvre un tel procédé permettant de réaliser cette injection de CO2 sans compression de gaz.
Un autre objectif de l’invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est de mettre en œuvre un tel procédé selon lequel la quantité de C02 injectée dans le photobioréacteur peut être contrôlée indépendamment de la quantité de CO2 présente dans le gaz.
Un autre objectif de l’invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est de mettre en œuvre une telle technique qui permette d’obtenir un meilleur rendement d’épuration et ceci pour un coût plus faible que les solutions classiques.
4. Exposé de l’invention L’invention concerne un procédé d’épuration de gaz comprenant du CO2 au moyen d’organismes phototrophes, comprenant les étapes suivantes : a) apport d’eau provenant d’une source d’eau ; b) captation et lavage du gaz dans un absorbeur comprenant au moins une portion de l’eau de manière à obtenir une solution aqueuse de CO2 ; c) à partir d’au moins une portion de l’eau, préparation d’une solution aqueuse comprenant des nutriments ; d) injection dans un photobioréacteur comprenant les organismes phototrophes d’au moins une portion de la solution aqueuse de CO2 et d’au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments ; e) illumination du contenu du photobioréacteur par un rayonnement lumineux.
Bien entendu, les étapes (b) et (c) peuvent être mises en œuvre dans un ordre indifférent, elles peuvent être mises en œuvre de manière simultanée ou être mises en œuvre en parallèle. Par ailleurs, la portion de l’eau mise en œuvre dans l’étape (b) et la portion de l’eau mise en œuvre dans l’étape (c) peuvent être distinctes, ou totalement ou partiellement confondues.
On entend par « photobioréacteur » tout type de récipient ou lagune, qu’il soit fermé ou ouvert (une lagune fermée peut être, par exemple, une lagune recouverte d’une serre), qui permet la culture d’organismes phototrophes.
Le principe général de l’invention repose sur l’introduction dans le photobioréacteur d’une solution aqueuse de CO2 obtenue à partir du gaz comprenant le CO2, et non sur l’introduction directe du gaz dans le photobioréacteur.
Ainsi, grâce au procédé selon l’invention, il n’est pas nécessaire de réaliser une compression de gaz, ce qui permet de réaliser des économies substantielles d’énergie.
Avantageusement, selon ce procédé, la captation du CO2 provenant du gaz comprenant du CO2, réalisée lors de l’étape (b), est découplée de l’injection de la solution obtenue dans le milieu de culture lors de l’étape (d). L’expression « milieu de culture » désigne la solution aqueuse globale contenue dans le photobioréacteur (comprenant au moins une portion de la solution aqueuse de nutriments et au moins une portion de la solution aqueuse de CO2) ainsi que les organismes phototrophes contenus dans le photobioréacteur.
Ainsi, l’invention repose sur une approche tout à fait nouvelle et inventive de capture du CO2 et d’apport du CO2 en vue de sa fixation par des organismes phototrophes.
Préférentiellement, le procédé peut comprendre une étape de régulation du taux de CO2 dans la solution aqueuse globale contenue dans le photobioréacteur : la concentration en CO2 dans le photobioréacteur peut être ajustée indépendamment de la production du gaz comprenant du C02. Ainsi, en suivant les besoins des organismes phototrophes, on obtient un rendement optimal de culture des organismes phototrophes, de sorte que la consommation de C02 est maximale, ce qui permet d’accroître le rendement du procédé d’épuration selon l’invention.
Avantageusement l'étape de régulation précitée comprend une étape de stockage temporaire d’au moins une portion de la solution aqueuse de CO2. L injection du CO2 dans le milieu de culture pouvant être découplée de sa captation depuis le gaz comprenant du C02, le débit instantané de C02 injecté dans le photobioréacteur peut être contrôlé indépendamment du débit de CO2 présent dans le gaz comprenant le CO2. Ainsi, l’invention permet un traitement du gaz en continu, même si l’apport de CO2 au milieu de culture n’est pas continu.
Selon un mode de réalisation préférentiel de l’invention, le gaz comprenant du CO2 peut provenir de procédés industriels. Ainsi l’invention peut également concerner les fours à chaux ou des fours à verre, et en particulier les fours à oxy-combustion.
Selon une mise en œuvre avantageuse de l’invention, l’eau contenue dans . le photobioréacteur est recyclée afin de générer au moins une portion de ladite source d’eau. Ainsi, la quantité d’eau nécessaire est minimale.
Selon une variante de l’invention, chacune des étapes (b) et (c) peut être découpée en séquence de sous-étapes, lesdites sous-étapes des étapes (b) et (c) étant intercalées.
Selon un mode de réalisation conforme à l’invention, l’étape (d) comprend les étapes suivantes : pré-mélange de ladite au moins une portion de la solution aqueuse de CO2 avec ladite au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments ; injection de la solution résultante du pré-mélange dans le photobioréacteur.
Ainsi par exemple, la composition en nutriments du milieu de culture peut être ajustée indépendamment de sa teneur en CO2, la solution aqueuse de nutriments et la solution aqueuse de CO2 étant tout de même préparées simultanément. Cette préparation en parallèle suivie d’un pré-mélange permet une seule et unique injection de liquide dans le photobioréacteur, ce qui peut faire réaliser des économies de temps et permettre de limiter les perturbations dans le milieu de culture.
Selon une variante avantageuse de l’invention, on peut envisager une récupération par extraction d’au moins une partie de l’oxygène métabolique produit par les organismes phototrophes dans le photobioréacteur.
Selon l’invention, le terme « organismes phototrophes » peut désigner à titre d’exemples et de manière non limitative les algues, les micro-algues, les bactéries. L’invention concerne également les mélanges d’une ou plusieurs espèces d’organismes précités.
Selon l’invention, la solution aqueuse de CO2 comprend du CO2 qui peut se trouver sous trois formes : CO2 dissous, hydrogénocarbonate (ci-après désigné par HCO3"), carbonate (ci-après désigné par CO32'). Selon l’invention, le CO2 apporté dans le photobioréacteur lors de l’étape (d) est sous au moins une de ces trois formes.
Conformément à un mode de réalisation particulier, l’invention concerne aussi un dispositif d’épuration de gaz comprenant du CO2 au moyen d’organismes phototrophes comprenant : a) des moyens d’apport d’eau provenant d’une source d’eau ; b) des moyens de captation et de lavage du gaz dans un absorbeur comprenant au moins une portion de l’eau de manière à obtenir une solution aqueuse de CO2 ; c) des moyens de préparation, à partir d’au moins une portion de l’eau, d’une solution aqueuse comprenant des nutriments ; d) des moyens d’injection dans un photobioréacteur comprenant les organismes phototrophes d’au moins une portion de la solution aqueuse de CO2 et d’au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments ; e) des moyens d’illumination du contenu du photobioréacteur par un rayonnement lumineux.
Les avantages des dispositifs sont les mêmes que ceux des procédés : ils ne sont pas détaillés plus amplement.
Selon un mode de réalisation préférentiel de l’invention, le dispositif comprend des moyens de régulation du taux de CO2 dans la solution aqueuse globale contenue dans le photobioréacteur.
Avantageusement, les moyens de régulation comprennent des moyens de stockage temporaire d’au moins une portion de la solution aqueuse de CO2.
Selon une mise en oeuvre avantageuse du dispositif selon l’invention, le gaz comprenant du CO2 provient d’un four à oxy-combustion.
Avantageusement, le dispositif comprend des moyens de recyclage de l’eau contenue dans le photobioréacteur afin de générer au moins une portion de ladite source d’eau.
Selon un mode de réalisation préférentiel, les moyens b) et c) sont activés suivant une séquence déterminée selon laquelle les activations des moyens b) et c) sont intercalés.
Selon une variante de l’invention, les moyens d) comprennent : des moyens de pré-mélange de ladite au moins une portion de la solution aqueuse de CO2 avec ladite au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments ; des moyens d’injection de la solution résultante du pré-mélange dans le photobioréacteur.
Selon une mise en œuvre avantageuse de l’invention, le dispositif comprend des moyens d’extraction d’au moins une partie de l’oxygène métabolique produit par les organismes phototrophes dans le photobioréacteur.
Selon une variante de l’invention, les organismes phototrophes comprennent l’un au moins des organismes suivants : une algue ; une micro-algue ; une bactérie.
Selon un mode de réalisation conforme à l’invention, les moyens d) comprennent des moyens d’apport dans le photobioréacteur du CO2 sous forme dissoute.
5. Liste des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de modes de réalisation préférentiels, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des figures annexées, parmi lesquelles : la figure 1 présente un synoptique du procédé traditionnel de culture d’algues ; la figure 2 illustre un mode de réalisation du procédé selon l’invention dans lequel la préparation de la solution aqueuse de nutriments (étape (c)) est réalisée avant l’obtention de la solution aqueuse de CO2 (étape (b)) ; la figure 3 illustre un mode de réalisation du procédé selon l’invention dans lequel l’obtention de la solution aqueuse de CO2 (étape (b)) est réalisée avant la de préparation de la solution aqueuse de nutriments (étape (c)) ; la figure 4 illustre un mode de réalisation du procédé selon l’invention dans lequel l’injection du CO2 nécessaire à l’obtention d’une solution aqueuse de CO2 (étape (b)) et l’injection des nutriments nécessaires à la production d’une solution aqueuse de nutriments sont réalisées (étape (d)) simultanément ou de manière intercalée, dans la même portion d’eau ; la figure 5 illustre un mode de réalisation du procédé selon l’invention dans lequel l’obtention de la solution aqueuse de CO2 (étape (b)) et la préparation de la solution aqueuse de nutriments (étape (c)) sont réalisées en parallèle, et l’injection de la solution aqueuse de CO2 et l’injection de la solution aqueuse de nutriments dans le photobioréacteur lors de l’étape (d) peuvent être simultanées, successives ou intercalées ; la figure 6 illustre un mode de réalisation du procédé selon l’invention dans l’obtention de la solution aqueuse de CO2 (étape (b)) et la préparation de la solution aqueuse de nutriments (étape (c)) sont réalisées en parallèle, et les solutions obtenues sont pré-mélangées de manière à obtenir une solution unique comprenant du CO2 et des nutriments, qui est ensuite injectée dans le photobioréacteur ; la figure 7 donne les variations de concentration des différentes formes de CO2 présentes dans la solution aqueuse de CO2 en fonction du pH ; figure 8 présente un schéma synoptique du procédé revendiqué.
6. Description d’au moins un mode de réalisation de l’invention
On illustre avec la figure 1 le schéma traditionnel de culture d’algues dans des photobioréacteurs. De l’eau 103 enrichie en nutriments 104 est introduite dans le photobioréacteur 105. Par ailleurs, du CO2 101 est introduit dans le photobioréacteur 105. En outre, le photobioréacteur 105 reçoit un rayonnement lumineux 102, qui apporte l’énergie nécessaire à la réaction. Dans ce système, lé CO2101 est introduit directement dans le photobioréacteur 105.
Le principe général de l’invention repose sur le découplage de la captation du CO2 provenant du gaz, absorbé lors de l’étape (b), de son injection dans le milieu de culture lors de l’étape (d). Ce découplage est illustré sur les figures 2 à 6, où l’on voit que, contrairement à la figure 1, le CO2 201 ; 301 ; 401 ; 501 ; 601 n’est pas introduit directement dans le photobioréacteur 205 ; 305 ; 405 ; 505 ; 605.
On présente, avec la figure 2, un procédé d’épuration selon un premier mode de réalisation : des nutriments 204 sont introduits dans une portion d’eau provenant d’une source d’eau 203 de manière à obtenir une solution aqueuse comprenant des nutriments. Puis cette solution aqueuse de nutriments est enrichie en CO2 201 provenant de gaz comprenant du CO2, et la solution aqueuse résultante est introduite dans le photobioréacteur 205 qui comprend des organismes phototrophes.
Dans la figure 3, le CO2 301 est introduit dans une portion d’eau 303 de manière à obtenir une solution aqueuse de CO2. Puis cette solution aqueuse de CO2 est enrichie en nutriments 304, et la solution aqueuse résultante est introduite dans le photobioréacteur 305 qui comprend des organismes phototrophes.
Le passage de la figure 2 à la figure 3 s’obtient par interversion des étapes d’obtention de la solution aqueuse de CO2 (étape (b)) et de l’étape de préparation de la solution aqueuse de nutriments (étape (c)).
La figure 4 est le cas limite entre les figures 2 et 3. Selon une variante du mode de réalisation illustré à la figure 4, les nutriments 404 et le CO2 401 peuvent être introduits simultanément dans la même portion d’eau 403, puis la solution aqueuse résultante est introduite dans le photobioréacteur 405. Les étapes (b) et (c) sont alors simultanées et « fusionnées ». Selon une autre variante du mode de réalisation représenté à la figure 4, le débit d’injection 409 des nutriments dans la portion d’eau et le débit d’injection 408 du CO2 dans la même portion d’eau peuvent être saccadés, de sorte qu’en fait chacune des étapes d’obtention de la solution aqueuse de CO2 et de préparation de la solution aqueuse de nutriments sont découpées en sous-étapes, lesdites sous-étapes étant ainsi « intercalées ».
Selon un mode de réalisation représenté à la figure 5, l’étape d’obtention de la solution aqueuse de CO2 (étape (b)) et l’étape de préparation de la solution aqueuse de nutriments (étape (c)) peuvent être réalisées en parallèle. On a représenté un cas particulier où il existe une réserve d’eau 503 (par exemple un réservoir) entre la source d’eau 500 et le photobioréacteur 505. Dans le mode de réalisation représenté, parallèlement à la captation du gaz et à la préparation de la solution aqueuse de CO2 501 avec une portion d’eau de la réserve d’eau 503, on prépare une solution aqueuse comprenant des nutriments 504 avec une portion d’eau de la réserve d’eau 503 différente de la première portion d’eau. Chacune des solutions est injectée séparément dans le photobioréacteur 505 comprenant les organismes phototrophes. Là encore, les injections peuvent être successives (injection 508 de la solution aqueuse de CO2 avant injection 509 de la solution aqueuse comprenant des nutriments, ou alors injection 509 de la solution aqueuse comprenant des nutriments avant injection 508 de la solution aqueuse de CO2), ou bien les injections peuvent être simultanées (508 et 509 sont réalisées en même temps), ou bien les injections peuvent être intercalées (les flèches 508 et 509 représentant des débits saccadés).
Le mode de réalisation illustré à la figure 6 peut être considéré comme un cas particulier du mode de réalisation représenté à la figure 5, dans lequel la solution aqueuse de CO2 601 et la solution aqueuse comprenant des nutriments 604 sont préparées en parallèle, puis pré-mélangées et enfin injectées dans le photobioréacteur 605 comprenant les organismes phototrophes.
Dans tous les cas, le contenu du photobioréacteur est illuminé par un rayonnement lumineux 202 ; 302 ; 402 ; 502 ; 602 qui fournit l’énergie nécessaire à la réaction de photosynthèse. Les produits obtenus sont de la matière organique appelée « biomasse » 206 ; 306 ; 406 ; 506 ; 606 et de l’oxygène O2 207 ; 307 ; 407 ; 507 ; 607. Biomasse et oxygène peuvent être extraits du milieu de culture et récupérés.
Après culture, les organismes phototrophes peuvent être récoltés en continu ou par prélèvements ponctuels, par exemple grâce à des procédés traditionnels tels que la floculation suivie d’une filtration et d’un séchage. Le prélèvement d’au moins une portion du milieu de culture et son traitement pour récupérer la biomasse peut être appelé « extraction de biomasse ». Ces prélèvements peuvent entraîner des pertes d’eau qui seront préférentiellement compensées par l’ajout d’eau d’appoint.
L’illumination par un rayonnement lumineux 202 ; 302 ; 402 ; 502 ; 602 peut être assurée par une source de lumière naturelle, c’est-à-dire par le Soleil.
L’éclairage peut également être artificiel, par exemple avec des lampes comprenant une ampoule halogène ou une ampoule à base de diodes électroluminescentes (« LEDs »).
Préférentiellement, la source d’eau est contrôlée afin de s’assurer que la quantité d’éléments nuisibles (notamment toxiques) aux organismes phototrophes est inférieure à un seuil déterminé. Pour l’algue Chlorella vulgaris par exemple on peut citer des valeurs tirées de « Tolérance of Chlorella vulgaris for metallic and non-metallic ions » par L. E. Den Dooren De Jong, Antonie van Leeuwenhoek, vol. 31, pp. 301-313 (1965), et reprises dans Ie tableau suivant :
Figure BE1019198A3D00131
La source d’eau peut être de l’eau de ville, de l’eau de rivière ou de canal, de l’eau de pluie, de l’eau déminéralisée, ou de l’eau de ville ayant subi un traitement par bullage d’air destiné à éliminer un ou plusieurs éléments toxique(s) pour certaines souches d’organismes phototrophes, comme par exemple le chlore.
Il est possible de mettre en place un système de recyclage d’eau comme illustré à la figure 5. Lors de l’extraction d’au moins une partie de la biomasse 506 par prélèvement d’une portion du milieu de culture compris dans le photobioréacteur 505, une portion d’eau 510 peut être récupérée. Après nettoyage, cette portion d’eau peut être renvoyée vers la réserve d’eau 503. En effet, on peut mettre en œuvre pour ce faire une pompe 511 connectée entre le photobioréacteur 505 et la réserve d’eau 503. Ce système de recyclage permet de réaliser des économies d’eau. Seules les pertes d’eau, dues par exemple à l’évaporation, ou à l’extraction de biomasse, peuvent alors être compensées par apport d’une portion d’eau appelée « eau d’appoint » 512.
Selon l’invention, le CO2 nécessaire à la photosynthèse est apporté au milieu de culture sous forme d’une solution aqueuse de CO2.
La dissolution du C02 gazeux 201 ; 301 ; 401 ; 501 ; 601 dans l’eau 203 ; 303 ; 403 ; 503 ; 603 correspond à Véquation 2 :
Figure BE1019198A3D00141
(équation 2)
Elle obéit à la loi de Henry reprise à Véquation 3 :
Figure BE1019198A3D00142
(1équation 3) où [CO2 (dissous)] désigne la concentration en CO2 dissous dans l’eau, HCo2 la constante de Henry pour le CO2, et pco2 (gaz) la pression partielle en CO2 de la phase gazeuse.
Puis le C02 dissous réagit avec l’eau H20 pour former HCO3' etCCb2'. Et la dissolution répond aux équilibres donnés par les équations (4) et (5) suivantes : (équation 4)
Figure BE1019198A3D00151
(équation 5)
La solution aqueuse de CO2 comprend du CO2 qui peut se trouver en fait sous trois formes : CO2 dissous (703), hydrogénocarbonate HCO3' (704), et carbonate CO32' (705). La forme majoritaire est fonction du pH (comme illustré à la figure 7). Sur cette figure, on représente la concentration des différentes formes de CO2 qui peuvent exister dans la solution aqueuse de CO2 en fonction du pH : l’axe des abscisses 701 donne les valeurs de pH, et l’axe des ordonnées 702 donne la concentration (en pmol/kg) de chaque forme de CO2 présente dans la solution.
Le CO2 nécessaire 201 ; 301 ; 401 ; 501 ; 601 peut provenir de gaz industriels, comme par exemple des gaz de combustion issus de fours à verre ou de fours à chaux, qui dégagent beaucoup de CO2.
Les fours à oxy-combustion, qui utilisent comme comburant de l’oxygène pur (plutôt que simplement de l’air) produisent des gaz particulièrement riches en CO2 et appauvris en produits secondaires, ce qui permet un traitement plus aisé. En effet, avoir un CO2 concentré peut accroître le rendement du procédé selon l’invention, et ce au moins pour deux raisons : D’une part, si la pression partielle en CO2 est élevée, alors la concentration en CO2 dissous est élevée d’après Y équation 3 et le rendement de la dissolution de CO2 gazeux dans 1 eau ([CO2 dissous]/ [CO? gazeux fourni]) va être grand.
D’autre part, avec une pression partielle en CO2 élevée, pour un débit unitaire de CO2 (de lkg/h par exemple), le débit total de gaz sera moins important. Donc avec des gaz riches en CO2, le volume de gaz à traiter sera moindre que pour des gaz pauvres en CO2. Ceci peut permettre par exemple de réduire le volume des appareillages, notamment celui du dispositif de dissolution du CO2 dans l’eau.
Les gaz comprenant le CO2 peuvent être nettoyés avant l’étape de dissolution de CO2 gazeux 201 ; 301 ; 401 ; 501 ; 601 dans l’eau 203 ; 303 ; 403 ; 503 ; 603. L’absorbeur qui permet de capter ces gaz peut se composer de deux parties qui peuvent être distinctes ou pas : un dispositif de nettoyage et un dispositif de dissolution de CO2 gazeux dans l’eau. On peut utiliser par exemple les méthodes de dépollution traditionnellement employées dans l’industrie du verre ou de la chaux : les gaz comprenant le CO2 peuvent passer sur un filtre à manche, sur un électro-filtre qui permet d’éliminer des particules, par exemple des métaux lourds (comme Hg, Cr, Ni, Zn, Pb), puis sur un dispositif DeSOx (pour éliminer les oxydes de soufre) et sur un catalyseur DeNOx (pour éliminer les oxydes d’azote).
Enfin, dans l’invention, le gaz comprenant le CO2 n’est plus en contact direct avec le milieu de culture. Or la production d’oxygène par photosynthèse a lieu uniquement dans ce milieu. Si l’on considère que l’on injecte dans le milieu de culture une solution aqueuse comprenant pour seul gaz dissous du CO2 pur et qu’il est totalement absorbé par les organismes phototrophes (selon Véquation 1) ou que le CO2 non consommé par les organismes phototrophes reste en solution, alors le seul gaz sortant du photobioréacteur sera de ΓΟ2 métabolique. Si le photobioréacteur est fermé, on peut envisager de récupérer cet O2 métabolique 207 ; 307 ; 407 ; 507 ; 607.
La température du milieu de culture dépend de l’espèce d’organisme phototrophe utilisée. Pour les algues Chlorella vulgaris par exemple, elle est de l’ordre de 28°C. Il est alors nécessaire de refroidir le gaz comprenant le CO2. A titre indicatif, la température des gaz à la sortie d’un four à verre est de l’ordre de 220°C et la température des gaz à la sortie d’un four à chaux est de l’ordre de 150°C.
Ceci peut être fait par les techniques traditionnelles, grâce par exemple à un échangeur de chaleur, la source froide pouvant être la source d’eau 500. L’échangeur de chaleur peut aussi être le dispositif 513 de dissolution de CO2 gazeux dans l’eau lui-même.
Inversement, la chaleur des gaz comprenant le CO2 peut servir à réchauffer le milieu de culture s’il est trop froid (par exemple en hiver).
La dissolution de CO2 gazeux 502 dans l’eau expliquée ci-dessus peut être réalisée grâce à différents dispositifs 513 de dissolution de CO2 gazeux dans l’eau parmi lesquels on peut citer une colonne à bulles, une cuve à agitation (magnétique par exemple), une colonne à plateaux (perforés ou à calotte), une colonne à garnissage (à co- ou contre-courant), un Venturi, une colonne à pulvérisation, une colonne à film.
L’utilisation d’une colonne à film de type « Amazone » (commercialisée par la société Toussaint-Nyssenne) permet, outre la dissolution du CO2 dans l’eau, l’élimination de poussières, et les échanges de chaleur.
Après cette étape, on obtient donc une solution aqueuse de CO2. Avantageusement selon l’invention, les organismes phototrophes ne sont jamais en contact direct avec le CO2 gazeux. Ainsi, les organismes phototrophes ne sont pas soumis aux chocs des bulles de gaz et ne sont pas stressés.
Le découplage de la captation du CO2 provenant du gaz, réalisée lors de l’étape (b), de son injection dans le milieu de culture lors de l’étape (d) permet aussi de réaliser un stockage de la réserve de CO2 présente dans l’eau sous forme dissoute, par exemple dans un réservoir-tampon 514 (représenté sur la figure 5) inséré entre le dispositif 513 de dissolution de CO2 gazeux dans l’eau et le photobioréacteur 505. Ainsi, l’apport en CO2 au milieu de culture peut être régulé en fonction des besoins. On peut envisager par exemple insérer, entre le réservoir-tampon 514 et le photobioréacteur 505, une pompe 515 dont le débit est réglable, ce qui permet d’ajuster la quantité de CO2 dans le milieu de culture. On peut également diluer le milieu de culture par apport d’eau d’appoint 512. Les besoins en CO2 peuvent être estimés par une mesure des concentrations en HCO3· et CO3 ’, par exemple avec un titrateur automatique de type « Applikon » (commercialisé par Metrohm).
Un autre avantage du stockage du CO2 sous forme d’une solution aqueuse réside dans son acheminement vers les photobioréacteurs 205 ; 305 ; 405 ; 505 ; 605. Il est en effet plus facile de transporter des liquides que des gaz (transport par simple gravité par exemple), et ce d’autant plus que la distance à parcourir est grande (notamment dans le cas d’un champ d’une centaine de photobioréacteurs de plusieurs hectares). Ceci se traduit par des économies de coût substantielles.
En outre, une filtration après la dissolution de CO2 gazeux dans l’eau découplée de l’injection dans le milieu de culture, par exemple avec un filtre 516 (placé entre le dispositif 513 de dissolution de CO2 gazeux dans l’eau et le photobioréacteur 505, ou, le cas échéant entre le réservoir-tampon 514 et le photobioréacteur 505), permet de récupérer des sels insolubles (comme CaCCb, MgCCb, ...) et ainsi éviter leur contact avec les organismes phototrophes. Dans un procédé traditionnel tel que celui représenté à la figure 1, ces sels auraient précipité dans le milieu de culture et se seraient mélangés aux organismes phototrophes.
De la même manière qu’on peut réguler l’apport de CO2 501 dans le milieu de culture, l’apport de nutriments 504 peut être contrôlé. Les nitrates étant traditionnellement utilisés comme indicateur du niveau moyen en nutriments, ce contrôle peut se faire au moyen d'une mesure de la quantité de nitrates dans la solution aqueuse globale. L’apport supplémentaire de nutriments peut alors être réalisé à l’aide d’une pompe doseuse 517 placée entre la réserve de nutriments 504 et le photobioréacteur 505.
On décrit maintenant un exemple particulier de dispositif d’épuration de gaz comprenant du CO2 au moyen d’organismes phototrophes selon l’invention.
Des essais de culture ont été réalisés avec des algues de l’ordre des Chlorococcales, famille : Chlorellaceae, genre : Chlorella, espèce : vulgaris (ci-après désignées par « Chlorella vulgaris ») dans un photobioréacteur ouvert en verre de dimensions 85*5*280 cm (soit un volume de 119L) réalisé à l’aide de feuilles de verre de 12mm d’épaisseur collées, l’étanchéité étant assurée par un joint torique. Le photobioréacteur se trouve dans une serre et est rempli avec 112L
d’eau déminéralisée enrichie en nutriments de manière à obtenir un milieu de culture M8 dont la composition en macro- et micronutriments est indiquée dans les tableaux suivants :
Figure BE1019198A3D00191
La température du réacteur est maintenue idéalement autour de 27.5°C (+/-2.5°C), qui est la température optimale pour les Chlorella vulgaris, au moyen d’une serre isolée thermiquement et dotée d’une climatisation et d’un échangeur de chaleur interne au photobioréacteur.
L’illumination est assurée par de la lumière naturelle (soit en Belgique : 125W/m2/an en moyenne en comptant les heures de nuit).
Dans cet exemple, l’apport de CO2 au milieu de culture est réalisé sous la forme d’une solution aqueuse contenant des ions hydrogénocarbonates HCO3', en l’occurrence par exemple avec une solution aqueuse de NaHCCb. L’emploi d’une telle solution permet de simuler la dissolution du CO2 gazeux dans l’eau et aboutit à une solution aqueuse de CO2 qui peut être assimilée à celle que l’on obtiendrait par le procédé selon l’invention.
L’étape de dissolution de CO2 gazeux dans de l’eau déminéralisée a aussi été réalisée avec un dispositif 513 bullant-pilote en verre, de 10 cm de diamètre et de 54cm de hauteur ; son volume de travail est 4 L. Les essais ont été menés avec un volume de travail de 3 L. Un flux de gaz de 600mL/min contenant 33% de CO2 dans l’air (ce qui peut être assimilé à la composition des gaz issus d’un four verrier à oxy-combustion) est introduit par 16 trous de 1.5 mm de diamètre. La vitesse du gaz à travers un trou est d’environ 0.35 m/s. Un mélangeur à 4 pales verticales tourne à une vitesse de 12000 trs/min pour détruire les bulles coalescentes et réduire leur diamètre.
Le rendement de la dissolution, obtenu en calculant le rapport [CO2 dissous]/[CC>2 introduit] est de l’ordre de 55%.
En négligeant le dégazage du CO2 dissous (au niveau du photobioréacteur 505, et éventuellement au niveau du réservoir-tampon 514) et en supposant que les organismes phototrophes sont synchronisés au dispositif 513 de dissolution de CO2 gazeux dans l’eau, i.e. la totalité du CO2 dissous dans l’eau par le dispositif susnommé est consommée par les organismes phototrophes, alors le rendement du procédé d’absorption du CO2 par les organismes phototrophes est le rendement de la dissolution de CO2 gazeux dans l’eau.
Dans les conditions décrites ci-dessus, la concentration en algues se stabilise à lg/L. Pour extraire de la biomasse 506, on peut prélever (ponctuellement ou de manière continue) une portion du milieu de culture, puis lui faire subir un traitement comprenant des étapes de filtration, floculation puis séchage.
Le volume d’eau peut être maintenu constant par l’ajout d’eau d’appoint 512 dans le photobioréacteur 505 pour compenser les pertes dues à l’évaporation et aux prélèvements de milieu de culture.
En résumé, on peut comparer la composition du gaz de combustion d’un four à verre après un traitement traditionnel utilisé actuellement dans l’industrie verrière sans procédé d’épuration par des organismes phototrophes, avec la composition de ce gaz après traitement par le procédé d’épuration selon le mode de réalisation de l’invention décrit ci-dessus.
Le traitement traditionnel consiste en un simple nettoyage du gaz. D’abord ce gaz passe des électro-filtres pour éliminer poussières et subir un traitement DeSOx pour éliminer les oxydes de soufre (par exemple par addition de CaCC>3 en milieu aqueux, selon la réaction : CaCC>3 + S02 CaS03 + C02), puis le gaz résultant passe sur un catalyseur DeNOx pour éliminer les oxydes d’azote (par exemple en injectant du NH3 sous forme de NH4OH sur une matrice céramique en nid d’abeille qui catalyse la réaction de dégradation des oxydes d’azotes en H2O, O2 et N2.
Les valeurs sont reprises dans le tableau suivant :
Figure BE1019198A3D00211
Dans cet exemple, le procédé d’épuration de gaz comprenant du CO2 selon l’invention permet de rejeter 50% de CO2 en moins dans l’atmosphère que par le procédé traditionnel.
On décrit, en relation avec la figure 8, un procédé d’épuration de gaz comprenant du CO2 au moyen d’organismes phototrophes. Ce procédé comprend une étape 801 d’apport d’eau provenant d’une source d’eau ; une étape 802 de captation et lavage du gaz dans un absorbeur comprenant au moins une portion de l’eau de manière à obtenir une solution aqueuse de CO2 ; une étape 803 de préparation, à partir d’au moins une portion de l’eau, d’une solution aqueuse comprenant des nutriments ; une étape 804 d’injection dans un photobioréacteur comprenant les organismes phototrophes d’au moins une portion de la solution aqueuse de CO2 et d’au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments ; une étape 805 d’illumination du contenu du photobioréacteur par un rayonnement lumineux.
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 choix de l’espèce d’algues ou micro-algues ou plus généralement d’organisme phototrophe. Outre les Chlorella vulgaris mentionnées ici, on peut par exemple et à titre non limitatif utiliser des Chlorella sorokiniana, des Dunaliella tertiolecta, des Dunaliella salina ou des Haematococcus pluvialis. On peut également utiliser un mélange de plusieurs espèces. L’organisme phototrophe peut aussi être une bactérie, comme par exemple une cyanobactérie, telle la Spirulina platensis.
L’invention s’applique bien sûr, également à des réacteurs fermés, et à des lagunes (ouvertes ou fermées).
De même, l’invention n’est pas limitée à une culture en batch et s’applique également à une culture en continu.
En outre, l’invention ne s’applique pas uniquement au traitement des gaz de combustion issus des fours à verre ou à chaux, mais aussi à tout type de gaz ou de fumées comprenant du CO2, tels que de l’air, des gaz ou fumées de combustion, par exemple industrielle.

Claims (11)

1. Procédé d’épuration de gaz comprenant du CO2 au moyen d’organismes phototrophes comprenant les étapes suivantes : a) apport (801) d’eau (203 ; 303; 403 ; 503 ; 603) provenant d’une source d’eau b) captation et lavage (802) du gaz dans un absorbeur comprenant au moins une portion de l’eau de manière à obtenir une solution aqueuse de CO2 ; c) à partir d’au moins une portion de l’eau, préparation (803) d’une solution aqueuse comprenant des nutriments (204 ; 304 ; 404 ; 504 ; 604) ; d) injection (804) dans un photobioréacteur (205 ; 305 ; 405 ; 505 ; 605) comprenant les organismes phototrophes d’au moins une portion de la solution aqueuse de CO2 et d’au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments ; e) illumination (805) du contenu du photobioréacteur par un rayonnement lumineux (202 ; 302 ; 402 ; 502 ; 602) les étapes (b) et (c) pouvant être interverties ou simultanées.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de régulation du taux de CO2 dans la solution aqueuse globale contenue dans le photobioréacteur (205 ; 305 ; 405 ; 505 ; 605).
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de régulation comprend une étape de stockage temporaire d’au moins une portion de la solution aqueuse de CO2.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le gaz comprenant le C02 (201 ; 301 ; 401 ; 501 ; 601) provient de combustion par exemple industrielle, préférentiellement issues d’un four à oxy-combustion.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’eau contenue dans le photobioréacteur (205 ; 305 ; 405 ; 505 ; 605) est recyclée afin de générer au moins une portion de ladite source d’eau.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chacune des étapes (b) et (c) est découpée en séquence de sous-étapes, lesdites sous-étapes des étapes (b) et (c) étant intercalées.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l’étape (d) comprend les étapes suivantes : pré-mélange de ladite au moins une portion de la solution aqueuse de CO2 avec ladite au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments ; injection de la solution résultante du pré-mélange dans le photobioréacteur.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il comprend une étape d’extraction d’au moins une partie de l’oxygène métabolique (207 ; 307 ; 407 ; 507 ; 607) produit par les organismes phototrophes dans le photobioréacteur (205 ; 305 ; 405 ; 505 ; 605).
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce les organismes phototrophes comprennent l’un au moins des organismes suivants : une algue ; une micro-algue ; une bactérie.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le CO2 (201 ; 301 ; 401 ; 501 ; 601) est apporté dans le photobioréacteur (205 ; 305 ; 405 ; 505 ; 605) à l’étape (d) sous forme dissoute.
11. Dispositif d’épuration de gaz comprenant du CO2 au moyen d’organismes phototrophes comprenant : a) des moyens d’apport d’eau (203 ; 303 ; 403 ; 503 ; 603) provenant d’une source d’eau ; b) des moyens de captation et de lavage du gaz dans un absorbeur comprenant au moins une portion de l’eau de manière à obtenir une solution aqueuse de CO2 ; c) des moyens de préparation, à partir d’au moins une portion de l’eau, d’une solution aqueuse comprenant des nutriments (204 ; 304 ; 404 ; 504 ; 604) ; d) des moyens d’injection dans un photobioréacteur (205 ; 305 ; 405 ; 505 ; 605) comprenant les organismes phototrophes d’au moins une portion de la solution aqueuse de CO2 et d’au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments ; e) des moyens d’illumination du contenu du photobioréacteur par un rayonnement lumineux (202 ; 302 ; 402 ; 502 ; 602).
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