CA2742699A1 - Procede de culture de micro-organismes, bioreacteur de mise en oeuvre et procede de fabrication d'un tel bioreacteur - Google Patents
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Abstract
La présente invention vise donc à proposer un bioréacteur présentant un rendement (concentration, productivité) amélioré, apte à la culture de microorganismes sensibles aux contraintes mécaniques, et économe en énergie. L'invention a pour objet un procédé de culture de microorganismes en suspension dans un milieu de culture, dans lequel la suspension de microorganismes est mise en écoulement dans un canal présentant des moyens pour générer un mélange par chaos Lagrangien lorsque la suspension de microorganismes circule en son sein.
Description
PROCEDE DE CULTURE DE MICRO-ORGANISMES, BIOREACTEUR DE
MISE EN OEUVRE ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL
BIOREACTEUR.
L'invention se rapporte à un procédé de culture de micro-organismes, à un bioréacteur de mise en oeuvre de ce procédé et à un procédé de fabrication d'un tel bioréacteur.
L'invention concerne le domaine des cultures de microorganismes et plus particulièrement, la culture de microorganismes photosynthétiques en bioréacteurs.
La culture de microorganismes nécessite un apport en nutriments optimisé. La culture des microorganismes photosynthétiques nécessite en outre un apport en lumière le plus homogène possible.
Les bioréacteurs de culture de microorganismes photosynthétiques sont appelés photobioréacteurs. Ils sont basés généralement sur les mêmes principes que les bioréacteurs habituels : le contrôle en continu des conditions nécessaires à la meilleure croissance des microorganismes, au sein d'un volume de milieu de culture dans un réservoir.
L'enjeu principal des recherches actuelles est d'en améliorer les performances (concentration cellulaire et productivité).
La spécificité des photobioréacteurs réside dans la nécessité
de fournir de l'énergie lumineuse en plus des conditions générales de culture.
Cette contrainte supplémentaire rend l'élaboration de ces réacteurs difficile et leur géométrie difficilement extrapolable. En effet, une bonne exploitation de la lumière demeure un problème complexe dans la mesure où, présentant une forte pigmentation, ces microorganismes absorbent et diffusent la lumière incidente : la lumière disponible dans le milieu de culture est donc très rapidement atténuée et ce, d'autant plus que la concentration en biomasse augmente. Ainsi, la productivité du photobioréacteur est directement contrôlée par l'exploitation biologique de la lumière incidente.
Un premier objectif de l'invention est d'améliorer le rendement de conversion de l'énergie lumineuse en biomasse et ainsi les performances
MISE EN OEUVRE ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL
BIOREACTEUR.
L'invention se rapporte à un procédé de culture de micro-organismes, à un bioréacteur de mise en oeuvre de ce procédé et à un procédé de fabrication d'un tel bioréacteur.
L'invention concerne le domaine des cultures de microorganismes et plus particulièrement, la culture de microorganismes photosynthétiques en bioréacteurs.
La culture de microorganismes nécessite un apport en nutriments optimisé. La culture des microorganismes photosynthétiques nécessite en outre un apport en lumière le plus homogène possible.
Les bioréacteurs de culture de microorganismes photosynthétiques sont appelés photobioréacteurs. Ils sont basés généralement sur les mêmes principes que les bioréacteurs habituels : le contrôle en continu des conditions nécessaires à la meilleure croissance des microorganismes, au sein d'un volume de milieu de culture dans un réservoir.
L'enjeu principal des recherches actuelles est d'en améliorer les performances (concentration cellulaire et productivité).
La spécificité des photobioréacteurs réside dans la nécessité
de fournir de l'énergie lumineuse en plus des conditions générales de culture.
Cette contrainte supplémentaire rend l'élaboration de ces réacteurs difficile et leur géométrie difficilement extrapolable. En effet, une bonne exploitation de la lumière demeure un problème complexe dans la mesure où, présentant une forte pigmentation, ces microorganismes absorbent et diffusent la lumière incidente : la lumière disponible dans le milieu de culture est donc très rapidement atténuée et ce, d'autant plus que la concentration en biomasse augmente. Ainsi, la productivité du photobioréacteur est directement contrôlée par l'exploitation biologique de la lumière incidente.
Un premier objectif de l'invention est d'améliorer le rendement de conversion de l'énergie lumineuse en biomasse et ainsi les performances
2 du photobioréacteur (concentration en biomasse, productivité), en particulier lorsque le milieu est confiné et fortement absorbant (fortes surfaces spécifiques d'éclairement).
L'État de la Technique comprend plusieurs types de photobioréacteurs dont les configurations géométriques sont classées selon deux catégories : une géométrie tubulaire, type cuve, tube ou colonne à
bulles, et une géométrie plane, dite flat panel reactor (FPR).
Le point commun à tous les photobioréacteurs de l'État de la Technique est l'utilisation d'un moyen d'homogénéisation du milieu de culture : un agitateur mécanique au sein de la cuve ou une circulation de bulles pour les réacteurs de type colonne à bulles ou FPR (agitation pneumatique).
Cependant, ces moyens d'agitation du milieu de culture induisent des contraintes hydrodynamiques fortes, qui sont dommageables voire destructrices pour certains microorganismes photosynthétiques réputés fragiles.
En outre, les photobioréacteurs de l'Etat de la technique présentent une faible productivité : les concentrations atteintes demeurent très souvent inférieures à quelques grammes par litre et les productivités à
quelques grammes par litre et par jour. Cela constitue aujourd'hui le principal frein en vue d'un développement industriel rentable des photobioréacteurs.
A l'heure actuelle, le seul photobioréacteur connu, ayant pour vocation l'intensification des cultures de microorganismes photosynthétiques, est le photobioréacteur FPR.
Initialement introduit par Hu et al 1996, le FPR fait aujourd'hui l'objet de recherches soutenues au sein de l'équipe du Professeur R. Wijffels à l'Université de Wageningen, aux Pays-Bas ( Microalgal photobioreactors:
Scale-up and optimization , thèse de PhD de Barbosa, 2003). Ce photobioréacteur présente un réservoir de largeur de 1 à 3 centimètres, de longueur de 20 centimètres et de hauteur de 60 centimètres. Il comprend des
L'État de la Technique comprend plusieurs types de photobioréacteurs dont les configurations géométriques sont classées selon deux catégories : une géométrie tubulaire, type cuve, tube ou colonne à
bulles, et une géométrie plane, dite flat panel reactor (FPR).
Le point commun à tous les photobioréacteurs de l'État de la Technique est l'utilisation d'un moyen d'homogénéisation du milieu de culture : un agitateur mécanique au sein de la cuve ou une circulation de bulles pour les réacteurs de type colonne à bulles ou FPR (agitation pneumatique).
Cependant, ces moyens d'agitation du milieu de culture induisent des contraintes hydrodynamiques fortes, qui sont dommageables voire destructrices pour certains microorganismes photosynthétiques réputés fragiles.
En outre, les photobioréacteurs de l'Etat de la technique présentent une faible productivité : les concentrations atteintes demeurent très souvent inférieures à quelques grammes par litre et les productivités à
quelques grammes par litre et par jour. Cela constitue aujourd'hui le principal frein en vue d'un développement industriel rentable des photobioréacteurs.
A l'heure actuelle, le seul photobioréacteur connu, ayant pour vocation l'intensification des cultures de microorganismes photosynthétiques, est le photobioréacteur FPR.
Initialement introduit par Hu et al 1996, le FPR fait aujourd'hui l'objet de recherches soutenues au sein de l'équipe du Professeur R. Wijffels à l'Université de Wageningen, aux Pays-Bas ( Microalgal photobioreactors:
Scale-up and optimization , thèse de PhD de Barbosa, 2003). Ce photobioréacteur présente un réservoir de largeur de 1 à 3 centimètres, de longueur de 20 centimètres et de hauteur de 60 centimètres. Il comprend des
3 injecteurs de génération de bulles répartis en fond du réservoir. L'émission de bulles permet de mélanger le volume de suspension algale.
Ce photobioréacteur FPR obtient des performances intéressantes grâce à une grande surface d'exposition par rapport au volume de culture. En outre, on constate un faible encrassement des parois par l'action décapante des bulles ce qui évite une atténuation de la lumière incidente.
Cependant, avec les systèmes de type colonnes à bulles, un taux de gaz important est nécessaire pour obtenir une agitation efficace du milieu réactionnel, ce qui peut réduire l'efficacité de transferts radiatifs et de matière gaz-liquide (en particulier si la suspension de microorganismes devient visqueuse). En outre, dans ce type de configuration, l'hydrodynamique de la suspension de microorganismes photosynthétiques n'est pas contrôlée, ce qui rend difficile la maîtrise des cycles zones claires/zones sombres auxquels les microorganismes photosynthétiques sont sensibles.
Un deuxième objectif de la présente invention est de proposer un bioréacteur apte à la culture de microorganismes réputés sensibles aux contraintes mécaniques tout en présentant des performances améliorées (concentration/productivité) et en limitant l'encrassement des parois du bioréacteur.
Pour remédier aux inconvénients des solutions connues, la présente invention propose un procédé et un bioréacteur dans lequel le milieu de culture est mis en écoulement dans une structure géométrique générant un mélange par chaos Lagrangien.
Le mélange par chaos Lagrangien ne doit pas être confondu avec un mélange aléatoire ou turbulent, parfois qualifié abusivement de chaos , sous prétexte que le milieu est fortement agité. Ainsi, en mécanique des fluides, un mélange est qualifié de chaos Lagrangien s'il satisfait au moins l'un des critères suivants :
- sensibilité aux conditions initiales (aussi appelée loi de divergence des trajectoires).
Ce photobioréacteur FPR obtient des performances intéressantes grâce à une grande surface d'exposition par rapport au volume de culture. En outre, on constate un faible encrassement des parois par l'action décapante des bulles ce qui évite une atténuation de la lumière incidente.
Cependant, avec les systèmes de type colonnes à bulles, un taux de gaz important est nécessaire pour obtenir une agitation efficace du milieu réactionnel, ce qui peut réduire l'efficacité de transferts radiatifs et de matière gaz-liquide (en particulier si la suspension de microorganismes devient visqueuse). En outre, dans ce type de configuration, l'hydrodynamique de la suspension de microorganismes photosynthétiques n'est pas contrôlée, ce qui rend difficile la maîtrise des cycles zones claires/zones sombres auxquels les microorganismes photosynthétiques sont sensibles.
Un deuxième objectif de la présente invention est de proposer un bioréacteur apte à la culture de microorganismes réputés sensibles aux contraintes mécaniques tout en présentant des performances améliorées (concentration/productivité) et en limitant l'encrassement des parois du bioréacteur.
Pour remédier aux inconvénients des solutions connues, la présente invention propose un procédé et un bioréacteur dans lequel le milieu de culture est mis en écoulement dans une structure géométrique générant un mélange par chaos Lagrangien.
Le mélange par chaos Lagrangien ne doit pas être confondu avec un mélange aléatoire ou turbulent, parfois qualifié abusivement de chaos , sous prétexte que le milieu est fortement agité. Ainsi, en mécanique des fluides, un mélange est qualifié de chaos Lagrangien s'il satisfait au moins l'un des critères suivants :
- sensibilité aux conditions initiales (aussi appelée loi de divergence des trajectoires).
4 Dans un système chaotique, des conditions initiales extrêmes proches peuvent avoir des évolutions très différentes : on dit alors qu'il y a perte de mémoire des conditions initiales. Pour les mélanges par chaos Lagrangien, l'écart entre deux trajectoires fluides initialement très proches croit exponentiellement. Néanmoins, comme ce système est déterministe, la même condition initiale donnera toujours le même état final. C'est la principale différence qu'il y a entre un mélange par chaos Lagrangien et un mélange aléatoire (par exemple turbulent). En effet, un mélange aléatoire associe différents états finaux à la même condition initiale.
- présence d'intersections transversales homocliniques ou hétérocliniques.
Autrement dit, la présence d'au moins un élément instable dans un système complexifie certes sa dynamique, mais la rend surtout plus efficace en termes de mélange. D'un point de vue mathématique, les points instables sont typiquement des points hyperboliques (contrairement aux points elliptiques qui sont eux des obstacles au mélange). Deux comportements locaux sont associés aux points hyperboliques : l'un stable et l'autre instable, correspondant respectivement aux directions physiques de compression et d'étirement maximaux. L'intersection de ces deux comportements génère, soit des points dits homoclines (si émanant d'un même point hyperbolique), soit des points dits hétéroclines (si émanant de deux points hyperboliques).
Ces intersections homocliniques et hétérocliniques constituent une signature du chaos Lagrangien.
- transformation en fer à cheval d'un volume de référence.
Dans un mélange par chaos Lagrangien, un volume élémentaire de fluide est étiré dans une direction, ce qui provoque sa contraction dans une direction perpendiculaire, puis il est replié sur sa position initiale d'origine. Ainsi, pour un volume initial en cube, un mélange par chaos Lagrangien est caractérisé par des étirements et des repliements des trajectoires fluides en forme de fer à cheval.
Il est à noter enfin que, d'après la théorie des systèmes dynamiques, le mouvement chaotique de particules ne peut avoir lieu que
- présence d'intersections transversales homocliniques ou hétérocliniques.
Autrement dit, la présence d'au moins un élément instable dans un système complexifie certes sa dynamique, mais la rend surtout plus efficace en termes de mélange. D'un point de vue mathématique, les points instables sont typiquement des points hyperboliques (contrairement aux points elliptiques qui sont eux des obstacles au mélange). Deux comportements locaux sont associés aux points hyperboliques : l'un stable et l'autre instable, correspondant respectivement aux directions physiques de compression et d'étirement maximaux. L'intersection de ces deux comportements génère, soit des points dits homoclines (si émanant d'un même point hyperbolique), soit des points dits hétéroclines (si émanant de deux points hyperboliques).
Ces intersections homocliniques et hétérocliniques constituent une signature du chaos Lagrangien.
- transformation en fer à cheval d'un volume de référence.
Dans un mélange par chaos Lagrangien, un volume élémentaire de fluide est étiré dans une direction, ce qui provoque sa contraction dans une direction perpendiculaire, puis il est replié sur sa position initiale d'origine. Ainsi, pour un volume initial en cube, un mélange par chaos Lagrangien est caractérisé par des étirements et des repliements des trajectoires fluides en forme de fer à cheval.
Il est à noter enfin que, d'après la théorie des systèmes dynamiques, le mouvement chaotique de particules ne peut avoir lieu que
5 lorsque le champ de vitesse est, soit bidimensionnel et dépendant du temps, soit tridimensionnel dépendant ou non du temps.
L'invention se rapporte à l'utilisation d'un canal apte à générer un mélange par chaos Lagrangien lorsque du fluide circule en son sein comme bioréacteur de culture de micro-organismes. L'écoulement est alors qualifié, dans la suite de la présente description, de chaotique . Dans une application préférée, l'invention utilise un canal transparent au rayonnement pour la culture de microorganismes photosynthétiques.
La présente invention a pour objet un procédé de culture de microorganismes en suspension dans un milieu de culture, dans lequel la suspension de microorganismes est mise en écoulement dans un canal présentant des moyens pour générer un mélange par chaos Lagrangien lorsque la suspension de microorganismes circule en son sein.
Par ce procédé, l'approvisionnement des cellules en nutriments est optimisé grâce à la circulation du fluide au sein du canal. En outre, grâce à sa nature laminaire tout au long du canal, l'écoulement chaotique du milieu de culture lui-même, et non le mélange d'un milieu statique, permet la culture de microorganismes réputés sensibles aux contraintes mécaniques (tels que certains dinoflagellés comme Protoceratum reticulum ou diatomées comme Skeletonema costatum), tout en économisant de l'énergie.
Ce procédé offre une solution de culture de microorganismes originale, permettant d'obtenir, grâce à la nature tridimensionnelle de l'écoulement chaotique (repliements/étirements successifs des lignes de fluide), un mélange équivalent à celui obtenu dans un régime turbulent, mais sans les contraintes mécaniques élevées habituellement présentes dans tout écoulement autre que laminaire.
L'invention se rapporte à l'utilisation d'un canal apte à générer un mélange par chaos Lagrangien lorsque du fluide circule en son sein comme bioréacteur de culture de micro-organismes. L'écoulement est alors qualifié, dans la suite de la présente description, de chaotique . Dans une application préférée, l'invention utilise un canal transparent au rayonnement pour la culture de microorganismes photosynthétiques.
La présente invention a pour objet un procédé de culture de microorganismes en suspension dans un milieu de culture, dans lequel la suspension de microorganismes est mise en écoulement dans un canal présentant des moyens pour générer un mélange par chaos Lagrangien lorsque la suspension de microorganismes circule en son sein.
Par ce procédé, l'approvisionnement des cellules en nutriments est optimisé grâce à la circulation du fluide au sein du canal. En outre, grâce à sa nature laminaire tout au long du canal, l'écoulement chaotique du milieu de culture lui-même, et non le mélange d'un milieu statique, permet la culture de microorganismes réputés sensibles aux contraintes mécaniques (tels que certains dinoflagellés comme Protoceratum reticulum ou diatomées comme Skeletonema costatum), tout en économisant de l'énergie.
Ce procédé offre une solution de culture de microorganismes originale, permettant d'obtenir, grâce à la nature tridimensionnelle de l'écoulement chaotique (repliements/étirements successifs des lignes de fluide), un mélange équivalent à celui obtenu dans un régime turbulent, mais sans les contraintes mécaniques élevées habituellement présentes dans tout écoulement autre que laminaire.
6 L'avantage induit par ces propriétés de mélange par chaos Lagrangien est, en particulier lorsque le milieu est confiné et fortement absorbant (forte surface spécifique d'éclairement), une amélioration de l'exposition des microorganismes photosynthétiques aux radiations lumineuses (meilleure homogénéité spatiale et pénétration de la lumière), permettant ainsi une augmentation des performances biologiques (concentration cellulaire, productivité) de la culture.
Mais le mélange par chaos Lagrangien mis en ceuvre dans la présente invention offre un avantage supplémentaire. En effet, bien qu'il n'induise aucune contrainte mécanique forte dans le milieu de culture, contrairement aux bulles du FPR, on s'aperçoit que l'encrassement du canal est nettement limité, c'est-à-dire que les microorganismes n'adhèrent presque pas à la paroi du canal, même après plusieurs dizaines de jours de circulation dans le canal. Le mélange par chaos Lagrangien permet donc de concilier deux avantages a priori incompatibles : un mélange efficace et respectueux de l'intégrité cellulaire des microorganismes avec un encrassement limité du bioréacteur.
Selon d'autres modes de réalisation :
= le canal peut comprendre une pluralité de motifs élémentaires reliés entre eux par des branches de connexion ;
= les motifs élémentaires peuvent être choisis dans le groupe constitué
par les motifs en C , les motifs en V , les motifs en B , les motifs en U , les motifs en zig-zag 3D , les canaux à segments circulaires alternés, les motifs en L et un mélange de ceux-ci ;
= le procédé peut être adapté pour la culture de microorganismes photosynthétiques, et le canal peut présenter des parois transparentes au rayonnement lumineux nécessaire à la croissance des microorganismes photosynthétiques à cultiver ;
= le procédé peut comprendre une étape de circulation de la suspension cellulaire dans au moins un réservoir disposé en série dans le canal ;
Mais le mélange par chaos Lagrangien mis en ceuvre dans la présente invention offre un avantage supplémentaire. En effet, bien qu'il n'induise aucune contrainte mécanique forte dans le milieu de culture, contrairement aux bulles du FPR, on s'aperçoit que l'encrassement du canal est nettement limité, c'est-à-dire que les microorganismes n'adhèrent presque pas à la paroi du canal, même après plusieurs dizaines de jours de circulation dans le canal. Le mélange par chaos Lagrangien permet donc de concilier deux avantages a priori incompatibles : un mélange efficace et respectueux de l'intégrité cellulaire des microorganismes avec un encrassement limité du bioréacteur.
Selon d'autres modes de réalisation :
= le canal peut comprendre une pluralité de motifs élémentaires reliés entre eux par des branches de connexion ;
= les motifs élémentaires peuvent être choisis dans le groupe constitué
par les motifs en C , les motifs en V , les motifs en B , les motifs en U , les motifs en zig-zag 3D , les canaux à segments circulaires alternés, les motifs en L et un mélange de ceux-ci ;
= le procédé peut être adapté pour la culture de microorganismes photosynthétiques, et le canal peut présenter des parois transparentes au rayonnement lumineux nécessaire à la croissance des microorganismes photosynthétiques à cultiver ;
= le procédé peut comprendre une étape de circulation de la suspension cellulaire dans au moins un réservoir disposé en série dans le canal ;
7 = le procédé peut comprendre une étape de contrôle de la quantité de gaz dans le milieu de culture ; et/ou = le procédé peut comprendre une étape de contrôle de température du milieu de culture.
L'invention se rapporte également à un bioréacteur pour la culture de microorganismes en suspension dans un milieu de culture, comprenant un canal muni d'une entrée et d'une sortie pour la suspension de microorganismes et un moyen de mise en écoulement de la suspension de microorganismes dans le canal, le canal présentant des moyens pour générer un mélange par chaos Lagrangien lorsque la suspension de microorganismes circule en son sein.
Selon d'autres modes de réalisation :
= les moyens pour générer un mélange par chaos Lagrangien peuvent comprendre une pluralité de motifs élémentaires reliés entre eux par des branches de connexion ;
= les motifs élémentaires peuvent être choisis dans le groupe constitué
par les motifs en C , les motifs en V , les motifs en B , les motifs en U , les motifs en zig-zag 3D , les canaux à segments circulaires alternés, les motifs en L et un mélange de ceux-ci ;
= le bioréacteur peut être adapté pour la culture de microorganismes photosynthétiques, et le canal peut présenter des parois transparentes au rayonnement lumineux nécessaire à la croissance des microorganismes photosynthétiques à cultiver ;
= le canal peut comprendre au moins un réservoir disposé en série dans le canal ;
= le canal peut comprendre des moyens de contrôle de la quantité de gaz présents dans le milieu de culture ; et/ou = le bioréacteur peut comprendre, en outre, un échangeur de chaleur pour contrôler la température du milieu de culture.
L'invention se rapporte également à un procédé de fabrication d'un bioréacteur précédent, le procédé comprenant les étapes suivantes :
L'invention se rapporte également à un bioréacteur pour la culture de microorganismes en suspension dans un milieu de culture, comprenant un canal muni d'une entrée et d'une sortie pour la suspension de microorganismes et un moyen de mise en écoulement de la suspension de microorganismes dans le canal, le canal présentant des moyens pour générer un mélange par chaos Lagrangien lorsque la suspension de microorganismes circule en son sein.
Selon d'autres modes de réalisation :
= les moyens pour générer un mélange par chaos Lagrangien peuvent comprendre une pluralité de motifs élémentaires reliés entre eux par des branches de connexion ;
= les motifs élémentaires peuvent être choisis dans le groupe constitué
par les motifs en C , les motifs en V , les motifs en B , les motifs en U , les motifs en zig-zag 3D , les canaux à segments circulaires alternés, les motifs en L et un mélange de ceux-ci ;
= le bioréacteur peut être adapté pour la culture de microorganismes photosynthétiques, et le canal peut présenter des parois transparentes au rayonnement lumineux nécessaire à la croissance des microorganismes photosynthétiques à cultiver ;
= le canal peut comprendre au moins un réservoir disposé en série dans le canal ;
= le canal peut comprendre des moyens de contrôle de la quantité de gaz présents dans le milieu de culture ; et/ou = le bioréacteur peut comprendre, en outre, un échangeur de chaleur pour contrôler la température du milieu de culture.
L'invention se rapporte également à un procédé de fabrication d'un bioréacteur précédent, le procédé comprenant les étapes suivantes :
8 - gravure, dans une première plaque de substrat, d'une pluralité
de motifs élémentaires choisis dans le groupe constitué par les motifs en C , les motifs en V , les motifs en B , les motifs en U , les motifs en zig-zag 3D , les canaux à
segments circulaires alternés, les motifs en L et un mélange de ceux-ci ;
- gravure, dans la première plaque de substrat, d'une entrée et d'une sortie de canal ;
- gravure, dans une deuxième plaque de substrat, d'une pluralité
de branches de connexion ;
- dépôt d'un joint d'étanchéité et juxtaposition des deux plaques de substrat ainsi gravées de telle sorte que les branches de connexion soient disposées de manière à permettre une communication fluidique étanche entre les motifs élémentaires et avec l'entrée et la sortie de canal.
Selon d'autres modes de réalisation :
= le procédé de fabrication peut comprendre, en outre, une étape de gravure dans la première plaque d'au moins un réservoir destiné à être disposé en série dans le canal ;
= le procédé de fabrication peut comprendre, en outre, une étape de gravure dans la deuxième plaque d'au moins un réservoir destiné à
être disposé en série dans le canal ; et/ou = le procédé de fabrication peut comprendre, en outre, une étape de gravure, dans une troisième plaque de substrat, d'un canal de circulation d'un fluide caloporteur, et une étape de juxtaposition des première et troisième plaques de substrat ainsi gravées de telle sorte que le canal de circulation de fluide caloporteur soit en relation d'échange thermique avec le canal de circulation du milieu de culture.
D'autres caractéristiques de l'invention seront énoncées dans la description détaillée ci-après faite en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement :
de motifs élémentaires choisis dans le groupe constitué par les motifs en C , les motifs en V , les motifs en B , les motifs en U , les motifs en zig-zag 3D , les canaux à
segments circulaires alternés, les motifs en L et un mélange de ceux-ci ;
- gravure, dans la première plaque de substrat, d'une entrée et d'une sortie de canal ;
- gravure, dans une deuxième plaque de substrat, d'une pluralité
de branches de connexion ;
- dépôt d'un joint d'étanchéité et juxtaposition des deux plaques de substrat ainsi gravées de telle sorte que les branches de connexion soient disposées de manière à permettre une communication fluidique étanche entre les motifs élémentaires et avec l'entrée et la sortie de canal.
Selon d'autres modes de réalisation :
= le procédé de fabrication peut comprendre, en outre, une étape de gravure dans la première plaque d'au moins un réservoir destiné à être disposé en série dans le canal ;
= le procédé de fabrication peut comprendre, en outre, une étape de gravure dans la deuxième plaque d'au moins un réservoir destiné à
être disposé en série dans le canal ; et/ou = le procédé de fabrication peut comprendre, en outre, une étape de gravure, dans une troisième plaque de substrat, d'un canal de circulation d'un fluide caloporteur, et une étape de juxtaposition des première et troisième plaques de substrat ainsi gravées de telle sorte que le canal de circulation de fluide caloporteur soit en relation d'échange thermique avec le canal de circulation du milieu de culture.
D'autres caractéristiques de l'invention seront énoncées dans la description détaillée ci-après faite en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement :
9 PCT/FR2009/001205 - la figure 1, une vue schématique de dessus d'un exemple de réalisation d'un bioréacteur selon l'invention ;
- les figures 2a à 2g, des vues schématiques en perspective de différentes géométries possibles de motifs élémentaires et de branches de connexion d'un canal selon l'invention ;
- la figure 3, une vue schématique en perspective illustrant une trajectoire de microorganisme dans l'écoulement chaotique de la suspension de microorganismes dans la géométrie de la figure 2e ;
- la figure 4, une vue schématique de dessus d'un motif élémentaire en C ;
- la figure 5, une vue schématique de dessus d'une branche de connexion de motifs élémentaires ;
- la figure 6, une vue schématique de dessus d'une portion d'un canal selon l'invention comprenant des motifs élémentaires en C reliés par des branches de connexion ;
- la figure 7, une vue schématique en coupe de la portion de canal de la figure 6 selon la ligne de coupe VII-VII ; et - les figures 8 et 9, des vues schématiques de côtés droit et gauche d'un exemple de réalisation du bioréacteur de la figure 1.
Un exemple préféré d'application de l'invention propose l'utilisation, comme bioréacteur de culture de microorganismes, d'un canal présentant une structure apte à générer un mélange par chaos Lagrangien lorsque le milieu de culture s'écoule en son sein.
Le bioréacteur selon l'invention permet, d'une part, un mélange efficace mais générant peu de contraintes mécaniques et, d'autre part, un encrassement minimal des parois du canal grâce à la tridimensionnalité de l'écoulement et à des vitesses en proche paroi plusieurs fois supérieures à la vitesse moyenne de circulation (calculée par le rapport entre le débit et la section), le tout même en présence d'épaisseurs de culture millimétriques.
Afin d'intensifier les performances (concentrations, productivités), le canal utilisé présente une épaisseur de culture réduite (inférieure au centimètre) et donc une surface spécifique d'éclairement accrue (supérieure à 130 m-1) par rapport aux photobioréacteurs de l'État de la 5 Technique, rendant ainsi le milieu particulièrement confiné et fortement absorbant.
Dans une forme de géométrie préférée (motifs en C ), le nombre de Reynolds est de l'ordre de 200: il est à optimiser en fonction de l'efficacité de l'écoulement chaotique généré (mélange) et de vitesses
- les figures 2a à 2g, des vues schématiques en perspective de différentes géométries possibles de motifs élémentaires et de branches de connexion d'un canal selon l'invention ;
- la figure 3, une vue schématique en perspective illustrant une trajectoire de microorganisme dans l'écoulement chaotique de la suspension de microorganismes dans la géométrie de la figure 2e ;
- la figure 4, une vue schématique de dessus d'un motif élémentaire en C ;
- la figure 5, une vue schématique de dessus d'une branche de connexion de motifs élémentaires ;
- la figure 6, une vue schématique de dessus d'une portion d'un canal selon l'invention comprenant des motifs élémentaires en C reliés par des branches de connexion ;
- la figure 7, une vue schématique en coupe de la portion de canal de la figure 6 selon la ligne de coupe VII-VII ; et - les figures 8 et 9, des vues schématiques de côtés droit et gauche d'un exemple de réalisation du bioréacteur de la figure 1.
Un exemple préféré d'application de l'invention propose l'utilisation, comme bioréacteur de culture de microorganismes, d'un canal présentant une structure apte à générer un mélange par chaos Lagrangien lorsque le milieu de culture s'écoule en son sein.
Le bioréacteur selon l'invention permet, d'une part, un mélange efficace mais générant peu de contraintes mécaniques et, d'autre part, un encrassement minimal des parois du canal grâce à la tridimensionnalité de l'écoulement et à des vitesses en proche paroi plusieurs fois supérieures à la vitesse moyenne de circulation (calculée par le rapport entre le débit et la section), le tout même en présence d'épaisseurs de culture millimétriques.
Afin d'intensifier les performances (concentrations, productivités), le canal utilisé présente une épaisseur de culture réduite (inférieure au centimètre) et donc une surface spécifique d'éclairement accrue (supérieure à 130 m-1) par rapport aux photobioréacteurs de l'État de la 5 Technique, rendant ainsi le milieu particulièrement confiné et fortement absorbant.
Dans une forme de géométrie préférée (motifs en C ), le nombre de Reynolds est de l'ordre de 200: il est à optimiser en fonction de l'efficacité de l'écoulement chaotique généré (mélange) et de vitesses
10 d'écoulement suffisantes pour maintenir en suspension les microorganismes photosynthétiques (de l'ordre de quelques centimètres par seconde). A titre de remarque, la viscosité cinématique d'une suspension algale à 1 g/L est proche de celle de l'eau, mais elle augmente en fonction de la concentration cellulaire.
Ainsi, le canal utilisé présente des dimensions réduites pour favoriser l'exposition des microorganismes à la lumière, tout en assurant, d'une part, une circulation efficace du fluide comprenant des microorganismes en concentration relativement importante et, d'autre part, une bonne rentabilité du bioréacteur.
D'une manière générale, le nombre de Reynolds de l'écoulement dans un bioréacteur selon l'invention est compris entre 150 et 250, de préférence 200.
Le bioréacteur 1 illustré à la figure 1 comprend un support 10 d'un canal 20. Ce canal 20 comprend une entrée fluidique 21 et une sortie fluidique 22.
L'entrée fluidique 21 est constituée par une seule ouverture agencée de telle sorte que les microorganismes photosynthétiques en suspension dans le milieu de culture ne subissent pas de contraintes mécaniques ni de stress susceptibles de les endommager.
Un moyen de mise en circulation (non représenté) d'un fluide dans le canal est en communication fluidique avec le canal par l'intermédiaire
Ainsi, le canal utilisé présente des dimensions réduites pour favoriser l'exposition des microorganismes à la lumière, tout en assurant, d'une part, une circulation efficace du fluide comprenant des microorganismes en concentration relativement importante et, d'autre part, une bonne rentabilité du bioréacteur.
D'une manière générale, le nombre de Reynolds de l'écoulement dans un bioréacteur selon l'invention est compris entre 150 et 250, de préférence 200.
Le bioréacteur 1 illustré à la figure 1 comprend un support 10 d'un canal 20. Ce canal 20 comprend une entrée fluidique 21 et une sortie fluidique 22.
L'entrée fluidique 21 est constituée par une seule ouverture agencée de telle sorte que les microorganismes photosynthétiques en suspension dans le milieu de culture ne subissent pas de contraintes mécaniques ni de stress susceptibles de les endommager.
Un moyen de mise en circulation (non représenté) d'un fluide dans le canal est en communication fluidique avec le canal par l'intermédiaire
11 de l'entrée 21 et de la sortie 22. A titre d'exemple, ce moyen est une pompe péristaltique capable de faire circuler et recirculer, dans le canal 20, les microorganismes en suspension, sans les endommager.
Le canal 20 permet de générer un écoulement chaotique lorsque le fluide circule en son sein.
Selon le mode de réalisation illustré en figure 1, le canal 20 comprend une pluralité de motifs élémentaires 25 reliés entre eux par des branches de connexion 26.
Les motifs élémentaires sont constitués, d'une manière générale, d'un serpentin tubulaire provoquant des changements de direction du fluide en circulation.
Dans le mode de réalisation de la figure 1, les motifs élémentaires 25 sont des motifs en C reliés par des branches de connexion 26 droites décrites dans la Figure 5. Chaque motif en C est un serpentin tubulaire comprenant trois sections rectilignes successives 25a, 25b, 25c (voir figure 2a) disposées à angle droit. La disposition des sections est coplanaire.
Lorsque les microorganismes cultivés sont des micro-organismes photosynthétiques, le canal 20 présente des parois transparentes aux rayonnements lumineux nécessaires à la croissance des micro-organismes.
Dans le mode de réalisation illustré, le canal comprend deux réservoirs 27 - 28 en communication fluidique avec des motifs élémentaires 25.
Ces réservoirs permettent d'utiliser des instruments classiques 410 (voir figure 9) de suivi de paramètres tels que le pH et la température et des instruments de régulation de ces paramètres ou des instruments de prélèvement et/ou d'injection 420 (voir figure 8). A titre d'exemple, une sonde pH classique et économique présente un diamètre d'environ 12 mm et ne pourrait être intégrée directement dans le canal 20.
Le canal 20 permet de générer un écoulement chaotique lorsque le fluide circule en son sein.
Selon le mode de réalisation illustré en figure 1, le canal 20 comprend une pluralité de motifs élémentaires 25 reliés entre eux par des branches de connexion 26.
Les motifs élémentaires sont constitués, d'une manière générale, d'un serpentin tubulaire provoquant des changements de direction du fluide en circulation.
Dans le mode de réalisation de la figure 1, les motifs élémentaires 25 sont des motifs en C reliés par des branches de connexion 26 droites décrites dans la Figure 5. Chaque motif en C est un serpentin tubulaire comprenant trois sections rectilignes successives 25a, 25b, 25c (voir figure 2a) disposées à angle droit. La disposition des sections est coplanaire.
Lorsque les microorganismes cultivés sont des micro-organismes photosynthétiques, le canal 20 présente des parois transparentes aux rayonnements lumineux nécessaires à la croissance des micro-organismes.
Dans le mode de réalisation illustré, le canal comprend deux réservoirs 27 - 28 en communication fluidique avec des motifs élémentaires 25.
Ces réservoirs permettent d'utiliser des instruments classiques 410 (voir figure 9) de suivi de paramètres tels que le pH et la température et des instruments de régulation de ces paramètres ou des instruments de prélèvement et/ou d'injection 420 (voir figure 8). A titre d'exemple, une sonde pH classique et économique présente un diamètre d'environ 12 mm et ne pourrait être intégrée directement dans le canal 20.
12 De manière alternative, il est possible de supprimer ces réservoirs si les instruments de mesure peuvent être intégrés directement dans le canal. Cependant, ce type d'instrumentation engendre des coûts importants en raison de leur miniaturisation.
Afin de limiter les perturbations induites par ces réservoirs sur l'écoulement chaotique du milieu de culture, il est préférable de regrouper les instruments encombrants dans un premier réservoir 27 présentant des dimensions relativement importantes (par exemple, quatre fois la hauteur du canal). De même, on regroupe les instruments moins encombrants dans un deuxième réservoir 28 de dimensions plus modestes (par exemple, deux fois la hauteur du canal). A titre d'exemple, le deuxième réservoir 28 peut servir à
disposer des instruments de prélèvements et/ou d'injection de suspension cellulaire.
Le bioréacteur de la figure 1 comprend également une section rectiligne 29 disposée à la sortie du deuxième réservoir 28. Cette section rectiligne 29 peut comprendre des moyens de contrôle de la quantité de gaz présent dans le milieu de culture. Il est ainsi possible d'injecter de l'air et/ou du C02, afin d'optimiser les conditions de croissance des microorganismes photosynthétiques (pH, quantité de carbone disponible pour la photosynthèse, évacuation de l'02 produit, etc.).
Afin de limiter le risque d'accumulation de bulles dans le canal, il est possible de supprimer cette section rectiligne et/ou d'injecter, à la place du gaz (air ou C02) de l'acide carbonique H2CO3 sous forme liquide.
Plusieurs types de motifs élémentaires 25 et de branches de connexion 26 peuvent être utilisés, pourvu qu'ils permettent un mélange par chaos Lagrangien lorsque du fluide circule en leur sein. Le choix de l'un ou de l'autre résulte d'un compromis entre :
- la simplicité technologique (fabrication et démontage du bioréacteur),
Afin de limiter les perturbations induites par ces réservoirs sur l'écoulement chaotique du milieu de culture, il est préférable de regrouper les instruments encombrants dans un premier réservoir 27 présentant des dimensions relativement importantes (par exemple, quatre fois la hauteur du canal). De même, on regroupe les instruments moins encombrants dans un deuxième réservoir 28 de dimensions plus modestes (par exemple, deux fois la hauteur du canal). A titre d'exemple, le deuxième réservoir 28 peut servir à
disposer des instruments de prélèvements et/ou d'injection de suspension cellulaire.
Le bioréacteur de la figure 1 comprend également une section rectiligne 29 disposée à la sortie du deuxième réservoir 28. Cette section rectiligne 29 peut comprendre des moyens de contrôle de la quantité de gaz présent dans le milieu de culture. Il est ainsi possible d'injecter de l'air et/ou du C02, afin d'optimiser les conditions de croissance des microorganismes photosynthétiques (pH, quantité de carbone disponible pour la photosynthèse, évacuation de l'02 produit, etc.).
Afin de limiter le risque d'accumulation de bulles dans le canal, il est possible de supprimer cette section rectiligne et/ou d'injecter, à la place du gaz (air ou C02) de l'acide carbonique H2CO3 sous forme liquide.
Plusieurs types de motifs élémentaires 25 et de branches de connexion 26 peuvent être utilisés, pourvu qu'ils permettent un mélange par chaos Lagrangien lorsque du fluide circule en leur sein. Le choix de l'un ou de l'autre résulte d'un compromis entre :
- la simplicité technologique (fabrication et démontage du bioréacteur),
13 - l'efficacité de l'écoulement chaotique (optimisation entre le mélange et l'amélioration de l'exposition des microorganismes photosynthétiques), - la minimisation de la consommation énergétique, - et la minimisation de l'encrassement des parois du canal et le respect de la sensibilité aux contraintes mécaniques.
Sept exemples, non limitatifs, sont illustrés en figure 2a à 2g.
Dans les figures 2a à 2e, les motifs sont illustrés en communication fluidique avec deux branches de connexion 26 partiellement représentées. Les motifs 2b à 2e sont des variantes du motif en C , développées au Laboratoire LTN de l'Université de Nantes en FRANCE
(équipe du Professeur H. Peerhossaini, de C. Castelain et de B. Auvity) dans le but de maximiser les performances des échangeurs de chaleur de pile à
combustible. La Demanderesse n'a eu connaissance de ces travaux que par le hasard de la proximité géographique avec ce laboratoire. Bien que les domaines techniques soient très différents, la Demanderesse a eu l'idée de tester ces motifs dans l'utilisation spécifique des bioréacteurs et en particulier des photobioréacteurs. Elle s'est aperçue que l'utilisation de ces motifs 2b à
2e dans un bioréacteur à advection chaotique améliorait significativement la concentration cellulaire et la productivité en limitant l'encrassement du canal et donc, en favorisant l'exposition à la lumière.
Le motif élémentaire illustré en figure 2a est un motif en C
comme ceux qui ont été décrits pour la figure 1. Le motif élémentaire illustré
en figure 2b est dit en ZIG-ZAG 3D . Il comprend une section curviligne 30 faisant un coude sensiblement à angle droit.
Le motif élémentaire illustré en figure 2c est un motif dit en U . Dans ce mode de réalisation, le fluide effectue un mouvement courbe (écoulement secondaire) dans une section coudée 31, alors que dans le motif en C le fluide effectue un mouvement rectiligne au sein de chaque section rectiligne. Le motif en U génère moins de perte de charge que le motif en C.
Sept exemples, non limitatifs, sont illustrés en figure 2a à 2g.
Dans les figures 2a à 2e, les motifs sont illustrés en communication fluidique avec deux branches de connexion 26 partiellement représentées. Les motifs 2b à 2e sont des variantes du motif en C , développées au Laboratoire LTN de l'Université de Nantes en FRANCE
(équipe du Professeur H. Peerhossaini, de C. Castelain et de B. Auvity) dans le but de maximiser les performances des échangeurs de chaleur de pile à
combustible. La Demanderesse n'a eu connaissance de ces travaux que par le hasard de la proximité géographique avec ce laboratoire. Bien que les domaines techniques soient très différents, la Demanderesse a eu l'idée de tester ces motifs dans l'utilisation spécifique des bioréacteurs et en particulier des photobioréacteurs. Elle s'est aperçue que l'utilisation de ces motifs 2b à
2e dans un bioréacteur à advection chaotique améliorait significativement la concentration cellulaire et la productivité en limitant l'encrassement du canal et donc, en favorisant l'exposition à la lumière.
Le motif élémentaire illustré en figure 2a est un motif en C
comme ceux qui ont été décrits pour la figure 1. Le motif élémentaire illustré
en figure 2b est dit en ZIG-ZAG 3D . Il comprend une section curviligne 30 faisant un coude sensiblement à angle droit.
Le motif élémentaire illustré en figure 2c est un motif dit en U . Dans ce mode de réalisation, le fluide effectue un mouvement courbe (écoulement secondaire) dans une section coudée 31, alors que dans le motif en C le fluide effectue un mouvement rectiligne au sein de chaque section rectiligne. Le motif en U génère moins de perte de charge que le motif en C.
14 Le mode de réalisation illustré en figure 2d est appelé un motif en V . Cette variante permet de réaliser un écoulement spatialement chaotique, avec moins de perte de charge que le motif en C grâce à des angles inférieurs à 900 entre les sections rectilignes 32a, 32b et 32c.
Le mode de réalisation de la figure 2e est dit en B . Ce motif élémentaire comprend une section rectiligne 33a a ux extrémités de laquelle sont disposées des sections cylindriques 33b et 33c. Ainsi, comme le montre la figure 3, le fluide effectue localement un mouvement tourbillonnaire induit par les sections cylindriques au sein du motif élémentaire et, dans l'ensemble des motifs, le fluide subit un écoulement spatialement chaotique.
Le mode de réalisation de la figure 2f est dit à segments circulaires alternés . Chaque motif élémentaire 35 est constitué d'une portion de canal en arc de cercle, de section carrée, de rayon de courbure égal à cinq fois le diamètre du canal et de longueur définie par une ouverture a sensiblement égale à trois quarts de cercle. Ainsi, le canal possède deux sections droites d'entrée et de sortie, et une succession de motifs élémentaires 35 en arc de cercle disposés en opposition. Ce sont précisément ces changements périodiques de direction qui génèrent un mélange par chaos Lagrangien.
Le mode de réalisation de la figure 2g est dit en L . Autre variante du motif en C , ce motif comprend deux sections droites 36a et 36b de longueurs différentes et perpendiculaires. Les branches de connexion 37 sont identiques au motif en L .
Selon un mode préféré de réalisation, illustré en figure 4, le motif élémentaire en C présente une largeur totale LT égale à trois fois la largeur Lc du canal. A titre d'exemple, la largeur du canal Lc est égale à 10 mm. La largeur totale LT est donc égale à 30 mm. De même, dans un mode de réalisation préféré, illustré en figure 5, chaque branche de connexion comprend une largeur totale LT égale à trois fois la largeur Lc du canal. La combinaison des motifs élémentaires et des branches de connexion ainsi dimensionnés est illustrée en figure 6.
La figure 7 est une coupe de l'ensemble de la figure 6 selon la ligne de découpe Vil-VII. Les motifs élémentaires 25 et les branches de connexion 26 présentent une hauteur h égale, de préférence, à environ la moitié de la largeur Lc du canal. Autrement dit, la hauteur h est sensiblement 5 égale à 5 mm pour l'exemple précédemment évoqué.
Selon un mode de réalisation préférée, le bioréacteur selon l'invention est réalisé dans au moins deux plaques en matériau transparent juxtaposées. Cette structure est illustrée en figure 8 et 9.
Le bioréacteur comprend une première et une deuxième 10 plaques 100-200 dans lesquelles ont été gravés les motifs élémentaires 25, les branches de connexion 26, l'entrée fluidique 21, la sortie fluidique 22 et, dans le mode de réalisation illustré, deux réservoirs 27-28 de profondeurs différentes et une section droite 29.
Un joint d'étanchéité 50 est disposé entre les deux plaques
Le mode de réalisation de la figure 2e est dit en B . Ce motif élémentaire comprend une section rectiligne 33a a ux extrémités de laquelle sont disposées des sections cylindriques 33b et 33c. Ainsi, comme le montre la figure 3, le fluide effectue localement un mouvement tourbillonnaire induit par les sections cylindriques au sein du motif élémentaire et, dans l'ensemble des motifs, le fluide subit un écoulement spatialement chaotique.
Le mode de réalisation de la figure 2f est dit à segments circulaires alternés . Chaque motif élémentaire 35 est constitué d'une portion de canal en arc de cercle, de section carrée, de rayon de courbure égal à cinq fois le diamètre du canal et de longueur définie par une ouverture a sensiblement égale à trois quarts de cercle. Ainsi, le canal possède deux sections droites d'entrée et de sortie, et une succession de motifs élémentaires 35 en arc de cercle disposés en opposition. Ce sont précisément ces changements périodiques de direction qui génèrent un mélange par chaos Lagrangien.
Le mode de réalisation de la figure 2g est dit en L . Autre variante du motif en C , ce motif comprend deux sections droites 36a et 36b de longueurs différentes et perpendiculaires. Les branches de connexion 37 sont identiques au motif en L .
Selon un mode préféré de réalisation, illustré en figure 4, le motif élémentaire en C présente une largeur totale LT égale à trois fois la largeur Lc du canal. A titre d'exemple, la largeur du canal Lc est égale à 10 mm. La largeur totale LT est donc égale à 30 mm. De même, dans un mode de réalisation préféré, illustré en figure 5, chaque branche de connexion comprend une largeur totale LT égale à trois fois la largeur Lc du canal. La combinaison des motifs élémentaires et des branches de connexion ainsi dimensionnés est illustrée en figure 6.
La figure 7 est une coupe de l'ensemble de la figure 6 selon la ligne de découpe Vil-VII. Les motifs élémentaires 25 et les branches de connexion 26 présentent une hauteur h égale, de préférence, à environ la moitié de la largeur Lc du canal. Autrement dit, la hauteur h est sensiblement 5 égale à 5 mm pour l'exemple précédemment évoqué.
Selon un mode de réalisation préférée, le bioréacteur selon l'invention est réalisé dans au moins deux plaques en matériau transparent juxtaposées. Cette structure est illustrée en figure 8 et 9.
Le bioréacteur comprend une première et une deuxième 10 plaques 100-200 dans lesquelles ont été gravés les motifs élémentaires 25, les branches de connexion 26, l'entrée fluidique 21, la sortie fluidique 22 et, dans le mode de réalisation illustré, deux réservoirs 27-28 de profondeurs différentes et une section droite 29.
Un joint d'étanchéité 50 est disposé entre les deux plaques
15 100-200 et celles-ci sont juxtaposées de telle sorte que les branches de connexion 26 soient disposées de manière à permettre une communication fluidique étanche entre les motifs élémentaires 25 et avec l'entrée 21 et la sortie 22 de canal 20.
Dans le mode de réalisation illustré, le premier réservoir 27 présente une profondeur Pi sensiblement égale à quatre fois la hauteur h du canal. Pour fabriquer ce réservoir, les deux plaques 100 et 200 sont gravées sur une profondeur sensiblement égale à deux fois la hauteur du canal.
De la même manière, le réservoir 28 présente une profondeur P2 sensiblement égale à deux fois la hauteur h du canal. Pour fabriquer ce réservoir, les deux plaques 100 et 200 sont gravées sur une profondeur sensiblement égale à la hauteur du canal.
De manière optionnelle, le bioréacteur comprend une troisième plaque 300 dans laquelle est gravé un circuit de circulation 350 d'un fluide caloporteur pour réguler la température, par échanges thermiques, du milieu de culture.
Dans le mode de réalisation illustré, le premier réservoir 27 présente une profondeur Pi sensiblement égale à quatre fois la hauteur h du canal. Pour fabriquer ce réservoir, les deux plaques 100 et 200 sont gravées sur une profondeur sensiblement égale à deux fois la hauteur du canal.
De la même manière, le réservoir 28 présente une profondeur P2 sensiblement égale à deux fois la hauteur h du canal. Pour fabriquer ce réservoir, les deux plaques 100 et 200 sont gravées sur une profondeur sensiblement égale à la hauteur du canal.
De manière optionnelle, le bioréacteur comprend une troisième plaque 300 dans laquelle est gravé un circuit de circulation 350 d'un fluide caloporteur pour réguler la température, par échanges thermiques, du milieu de culture.
16 De préférence, la plaque 300 est juxtaposée à la plaque 100 portant les motifs élémentaires 25. Ceci améliore la surface d'échange thermique entre le fluide caloporteur et le milieu de culture. Un joint d'étanchéité 51 est disposé entre les deux plaques 100 et 300 pour assurer l'étanchéité.
Ce fluide caloporteur doit être transparent aux radiations utiles à la croissance des microorganismes photosynthétiques. De préférence, ce fluide est de l'eau.
De manière préférentielle, le bioréacteur comprend un couvercle amovible 400 destiné à servir de support étanche aux instruments de mesure 410 dans le ou les réservoir(s) 27-28. Ce couvercle 400 peut comprendre également des ouvertures pour le passage d'aiguilles 420 de prélèvement ou d'injection de microorganismes.
Dans le mode de réalisation illustré, le photobioréacteur selon l'invention est utilisé verticalement. Cette position permet de faciliter l'évacuation vers la partie supérieure du bioréacteur des bulles de gaz qui se seraient formées dans le milieu réactionnel.
De nombreuses variantes et alternatives peuvent être apportées sans pour cela sortir de l'invention et notamment :
= le bioréacteur peut comprendre des motifs élémentaires dont les parois sont agencées pour favoriser l'évacuation de bulles vers le haut du réservoir lorsque celui-ci est utilisé verticalement.
= le bioréacteur peut comprendre une combinaison de motifs élémentaires de géométries différentes générant un mélange par chaos Lagrangien, lorsque du fluide circule en son sein.
Ce fluide caloporteur doit être transparent aux radiations utiles à la croissance des microorganismes photosynthétiques. De préférence, ce fluide est de l'eau.
De manière préférentielle, le bioréacteur comprend un couvercle amovible 400 destiné à servir de support étanche aux instruments de mesure 410 dans le ou les réservoir(s) 27-28. Ce couvercle 400 peut comprendre également des ouvertures pour le passage d'aiguilles 420 de prélèvement ou d'injection de microorganismes.
Dans le mode de réalisation illustré, le photobioréacteur selon l'invention est utilisé verticalement. Cette position permet de faciliter l'évacuation vers la partie supérieure du bioréacteur des bulles de gaz qui se seraient formées dans le milieu réactionnel.
De nombreuses variantes et alternatives peuvent être apportées sans pour cela sortir de l'invention et notamment :
= le bioréacteur peut comprendre des motifs élémentaires dont les parois sont agencées pour favoriser l'évacuation de bulles vers le haut du réservoir lorsque celui-ci est utilisé verticalement.
= le bioréacteur peut comprendre une combinaison de motifs élémentaires de géométries différentes générant un mélange par chaos Lagrangien, lorsque du fluide circule en son sein.
Claims (18)
1. Procédé de culture de microorganismes en suspension dans un milieu de culture, caractérisé en ce que la suspension de microorganismes est mise en écoulement dans un canal (20) présentant des moyens (25-26) pour générer un mélange par chaos Lagrangien lorsque la suspension de microorganismes circule en son sein.
2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le canal (20) comprend une pluralité de motifs élémentaires (25, 25a-25b-25c, 30, 31, 32a-32b-32c, 33a-33b-33c, 35, 36a-36b) reliés entre eux par des branches de connexions (26, 37).
3. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel les motifs élémentaires (25, 25a-25b-25c, 30, 31, 32a-32b-32c, 33a-33b-33c, 35, 36a-36b) sont choisis dans le groupe constitué par les motifs en C , les motifs en V , les motifs en B , les motifs en U , les motifs en zig-zag 3D , les canaux à segments circulaires alternés, les motifs en L et un mélange de ceux-ci.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 pour la culture de microorganismes photosynthétiques, dans lequel le canal (20) présente des parois transparentes au rayonnement lumineux nécessaire à la croissance des microorganismes photosynthétiques à cultiver.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant une étape de circulation de la suspension cellulaire dans au moins un réservoir (27-28) disposé en série dans le canal.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant une étape de contrôle de la quantité de gaz dans le milieu de culture.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant une étape de contrôle de température du milieu de culture.
8. Bioréacteur pour la culture de microorganismes en suspension dans un milieu de culture, caractérisé en ce qu'il comprend un canal (20) muni d'une entrée (21) et d'une sortie (22) pour la suspension de microorganismes et un moyen de mise en écoulement de la suspension de microorganismes dans le canal (20), le canal présentant des moyens (25-26) pour générer un mélange par chaos Lagrangien lorsque la suspension de microorganismes circule en son sein.
9. Bioréacteur selon la revendication 8, dans lequel les moyens pour générer un mélange par chaos Lagrangien comprend une pluralité de motifs élémentaires (25, 25a-25b-25c, 30, 31, 32a-32b-32c, 33a-33b-33c, 35, 36a-36b) reliés entre eux par des branches de connexion (26, 37).
10. Bioréacteur selon la revendication 9, dans lequel les motifs élémentaires (25, 25a-25b-25c, 30, 31, 32a-32b-32c, 33a-33b-33c, 35, 36a-36b) sont choisis dans le groupe constitué par les motifs en C , les motifs en V , les motifs en B , les motifs en U , les motifs en zig-zag 3D , les canaux à segments circulaires alternés, les motifs en L et un mélange de ceux-ci.
11. Bioréacteur selon l'une quelconque des revendications 8 à 10 pour la culture de microorganismes photosynthétiques, dans lequel le canal (20) présente des parois transparentes aux rayonnements lumineux nécessaires à la croissance des microorganismes photosynthétiques à
cultiver.
cultiver.
12. Bioréacteur selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel le canal (20) comprend au moins un réservoir (27-28) disposé en série dans le canal.
13. Bioréacteur selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, comprenant des moyens de contrôle de la quantité de gaz présents dans le milieu de culture.
14. Bioréacteur selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, comprenant, en outre, un échangeur de chaleur (350) pour contrôler la température du milieu de culture.
15. Procédé de fabrication d'un bioréacteur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
.cndot. gravure, dans une première plaque (100) de substrat (10), d'une pluralité
de motifs élémentaires (25, 25a-25b-25c, 30, 31, 32a-32b-32c, 33a-33b-33c, 35, 36a-36b) choisis dans le groupe constitué par les motifs en C , les motifs en V , les motifs en B , les motifs en U , les motifs en zig-zag 3D , les canaux à segments circulaires alternés, les motifs en L et un mélange de ceux-ci ;
.cndot. gravure, dans la première plaque (100) de substrat (10), d'une entrée (21) et d'une sortie (22) de canal (20) ;
.cndot. gravure, dans une deuxième plaque (200) de substrat (10), d'une pluralité
de branches de connexion (26, 37) ;
.cndot. dépôt d'un joint d'étanchéité (50) et juxtaposition des deux plaques (100-200) de substrat ainsi gravées de telle sorte que les branches de connexion (26, 37) soient disposées de manière à permettre une communication fluidique étanche entre les motifs élémentaires (25, 25a-25b-25c, 30, 31, 32a-32b-32c, 33a-33b-33c, 35, 36a-36b) et avec l'entrée (21) et la sortie (22) de canal.
.cndot. gravure, dans une première plaque (100) de substrat (10), d'une pluralité
de motifs élémentaires (25, 25a-25b-25c, 30, 31, 32a-32b-32c, 33a-33b-33c, 35, 36a-36b) choisis dans le groupe constitué par les motifs en C , les motifs en V , les motifs en B , les motifs en U , les motifs en zig-zag 3D , les canaux à segments circulaires alternés, les motifs en L et un mélange de ceux-ci ;
.cndot. gravure, dans la première plaque (100) de substrat (10), d'une entrée (21) et d'une sortie (22) de canal (20) ;
.cndot. gravure, dans une deuxième plaque (200) de substrat (10), d'une pluralité
de branches de connexion (26, 37) ;
.cndot. dépôt d'un joint d'étanchéité (50) et juxtaposition des deux plaques (100-200) de substrat ainsi gravées de telle sorte que les branches de connexion (26, 37) soient disposées de manière à permettre une communication fluidique étanche entre les motifs élémentaires (25, 25a-25b-25c, 30, 31, 32a-32b-32c, 33a-33b-33c, 35, 36a-36b) et avec l'entrée (21) et la sortie (22) de canal.
16. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, comprenant, en outre, une étape de gravure dans la première plaque (100) d'au moins un réservoir (27-28) destiné à être disposé en série dans le canal.
17. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, comprenant, en outre, une étape de gravure dans la deuxième plaque (200) d'au moins un réservoir (27-28) destiné à être disposé en série dans le canal.
18. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, comprenant, en outre, une étape de gravure, dans une troisième plaque (300) de substrat, d'un canal de circulation (350) d'un fluide caloporteur, et une étape de juxtaposition des première (100) et troisième (300) plaques de substrat ainsi gravées de telle sorte que le canal de circulation (350) de fluide caloporteur soit en relation d'échange thermique avec le canal (20) de circulation du milieu de culture.
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