CH700388A2

CH700388A2 - Photobioréacteur-digesteur pour la culture de microorganismes photosynthétiques et la production de biogaz.

Info

Publication number: CH700388A2
Application number: CH00149/09A
Authority: CH
Inventors: Salvatore Arghiro
Original assignee: Algues Energy Systems Ag
Priority date: 2009-02-01
Filing date: 2009-02-01
Publication date: 2010-08-13

Abstract

L’invention concerne un photobioréacteur-digesteur pour la culture de microorganismes photosynthétiques (phytoplancton), notamment de microalgues, comprenant une première enceinte renfermant des microorganismes photosynthétiques et un milieu nourrissant, les microorganismes se trouvant en contact avec ledit milieu nourrissant et exposés au rayonnement solaire. Selon l’invention, ladite première enceinte est reliée à une seconde enceinte renfermant des microorganismes photosynthétiques et un milieu digestif comprenant des bactéries anaérobies susceptibles de digérer lesdits microorganismes photosynthétiques en produisant du biogaz dans ladite seconde enceinte.

Description


  Domaine de l'invention

  

[0001]    La présente invention concerne un photobioréacteur-digesteur pour la culture de microorganismes photosynthétiques, notamment de microalgues, comme source de biomasse et pour la production de biogaz.

  

[0002]    Un photobioréacteur connu comprend une enceinte renfermant des microorganismes photosynthétiques et un milieu nourrissant. Les microorganismes se trouvent en contact avec le milieu nourrissant et sont exposés au rayonnement solaire. Ainsi, ces microorganismes se multiplient et/ou grandissent. La production de biogaz se fait par fermentation des microorganismes dans un fermentateur/digesteur à l'aide de bactéries anaérobies.

Etat de la technique

  

[0003]    On sait que les microalgues, notamment les algues unicellulaires du type plancton (phytoplancton) susceptibles d'être entraînées par des courants d'eau douce ou salée, sont capables de convertir le dioxyde de carbone (CO2) en biomasse et en oxygène (O2) en utilisant le rayonnement solaire comme source d'énergie et de l'eau (H2O), du dioxyde de carbone (CO2) ainsi que des sources d'azote (N), de soufre (S) et de phosphore (P) comme source de matière (processus de photosynthèse). Au niveau cellulaire, on observe ainsi une augmentation du nombre des microalgues unicellulaires.

  

[0004]    On utilise ce processus pour cultiver des microalgues (aquaculture). En général, les microalgues sont cultivées dans des étangs naturels ou en bassins artificiels construits en plein air, comme par exemple les bassins de culture et les bassins d'oxydation pour le traitement des eaux usées. Cependant, dans des aquacultures "ouvertes" pour la culture de microalgues, on risque une contamination de la population de microalgues par des microorganismes envahisseurs, notamment des bactéries, qui peuvent déséquilibrer, voire détruire cette population de microalgues dans un tel photobioréacteur ouvert.

  

[0005]    Pour remédier à ce problème, on peut recourir à une aquaculture fermée, pourvue d'une barrière hermétique destinée à protéger les microalgues de microorganismes dans l'atmosphère qui pourraient porter atteinte à la population de microalgues.

  

[0006]    Malheureusement, les constructions de ce type sont assez onéreuses, notamment lorsqu' on essaie de réaliser des structures de photobioréacteur couvrant des superficies de plusieurs dizaines de mètres carrés, ce qui est indispensable d'un point de vue de rentabilité. Notamment, les coûts de construction de telles structures sont très élevés et rendent anti-économique la réalisation de cultures de dimensions vastes.

  

[0007]    En ce qui concerne les fermentateurs/digesteurs, ils sont très souvent placés à un endroit séparé et plus ou moins écarté de la source de biomasse, ce qui rend difficile leur approvisionnement en biomasse.

  

[0008]    En outre, les constructions de ce type sont assez onéreuses, notamment lorsqu' on essaie de réaliser des structures combinées de photobioréacteur et digesteur couvrant des superficies de plusieurs dizaines de mètres carrés, ce qui est indispensable d'un point de vue de rentabilité. Notamment, les coûts de construction de telles structures sont très élevés et rendent anti-économique la réalisation de cultures de dimensions vastes.

Description de l'invention

  

[0009]    L'invention a pour objet un photobioréacteur-digesteur pour la culture de microorganismes photosynthétiques (phytoplancton), notamment de microalgues, comprenant une première enceinte renfermant des microorganismes photosynthétiques et un milieu nourrissant, les microorganismes se trouvant en contact avec ledit milieu nourrissant et exposés au rayonnement solaire. Selon l'invention, ladite première enceinte est reliée à une seconde enceinte renfermant des microorganismes photosynthétiques et un milieu digestif comprenant des bactéries anaérobies susceptibles de digérer lesdits microorganismes photosynthétiques en produisant du biogaz dans ladite seconde enceinte.

  

[0010]    De cette manière, l'invention facilite la manipulation et le transport de la biomasse entre le photobioréacteur et le digesteur. De plus, l'invention permet à l'ensemble photobioréacteur/digesteur d'être un système fermé sans échappements incontrôlés de gaz avec une grande liberté de fonctionnement entre un mode continu d'une part et un mode discontinu d'autre part.

  

[0011]    En mode continu, on amène de manière continue le milieu nourrissant dans le photobioréacteur, on retire ("récolte") de manière continue une partie de la biomasse produite dans le photobioréacteur pour la transporter de manière continue vers le digesteur dont on enlève de manière continue le biogaz (carburant) ainsi que des résidus liquides et solides (engrais). Lors de ces opérations, on veille à ce que, dans toutes les enceintes, les concentrations des différentes matières (gaz, liquides, solides) soient aussi près que possible des concentrations optimales qui maximisent le rendement et la vitesse du processus métabolique dans les microorganismes photosynthétiques (microalgues) ou dans les bactéries anaérobies.

  

[0012]    En mode discontinu, on amène le milieu nourrissant dans le photobioréacteur. Puis, on ferme le photobioréacteur et on fait réagir pendant un certain temps le milieu nourrissant avec les microalgues dont le nombre augmente. Ensuite, on récolte une partie de la biomasse augmentée dans le photobioréacteur et on amène cette charge dans le digesteur. Puis, on ferme le digesteur et on fait réagir pendant un certain temps le milieu digestif avec les bactéries anaérobies pour produire du biogaz. Ensuite, on récolte une partie, de préférence la quasi-totalité, du biogaz produit à partir de la charge dans le digesteur.

  

[0013]    En outre, l'invention permet de supprimer un envahissement du phytoplancton (population de microorganismes photosynthétiques) par du zooplancton prédateur (microorganismes non-photosynthétiques, par exemple des bactéries), évitant ainsi une prolifération de zooplancton aux dépens des populations de phytoplancton. On obtient donc des populations stables de phytoplancton/microalgues.

  

[0014]    Puis, l'invention permet un enrichissement efficace du milieu nourrissant en dioxyde de carbone, indispensable pour une bonne productivité de biomasse à base de phytoplancton/microalgues.

  

[0015]    Comme sus-mentionné, cette biomasse peut être "récoltée" en continu en veillant à ce que la concentration de la population de microorganismes reste sensiblement constante. Bien sûr, cette "récolte" de biomasse peut également s'effectuer de manière quasi-continue, c'est-à-dire avec des prélèvements d'une certaine quantité / portion de biomasse à des intervalles prédéterminés et suffisamment courts afin d'éviter des écarts trop importants entre la concentration instantanée en microorganismes et la concentration désirée pour un rendement optimal.

  

[0016]    Ensuite, l'invention permet un contrôle et une commande efficace de la température du milieu nourrissant, donc des microalgues, ainsi que de la température du milieu digestif, donc des bactéries anaérobies, qui est également indispensable pour un bon rendement du processus photosynthétique et du processus de la digestion / fermentation anaérobie.

  

[0017]    De préférence, ladite seconde enceinte (enceinte de fermentation) contribue à l'appui d'une paroi de ladite première enceinte (enceinte photosynthétique). Cette mesure augmente la stabilité de la première enceinte. Notamment, quand les enceintes sont remplies de matières liquides, solides et gazeuses, une partie de la paroi de la seconde enceinte contacte, voire épouse une partie de la paroi de ladite première enceinte. On voit que cette mesure contribue non seulement à la stabilité, mais aussi à la compacité de l'ensemble photobioréacteur-digesteur.

  

[0018]    Dans une variante avantageuse, au moins une partie de ladite première enceinte est constituée d'une structure flexible supportée par la pression d'un gaz renfermé à l'intérieur de ladite première enceinte. Cela contribue à la construction d'un photobioréacteur léger à des coûts suffisamment bas pour rendre économique la réalisation de cultures de dimensions vastes. De même, au moins une partie de ladite seconde enceinte peut être constituée d'une structure flexible supportée par la pression d'un gaz renfermé à l'intérieur de ladite seconde enceinte. Cela contribue également à ou perfectionne la construction d'un photobioréacteur léger à des coûts encore plus bas pour rendre encore plus économique la réalisation de cultures de dimensions vastes.

  

[0019]    Afin de permettre que suffisamment de photons entrent dans ladite première enceinte (enceinte photosynthétique), on préfère qu'au moins une partie de ladite première enceinte soit au moins partiellement transparante au rayonnement solaire. En plus, on peut prévoir un filtre UV dans cette partie pour éliminer ou réduire le rayonnement ultraviolet qui peut s'avérer nocif pour les microorganismes photosynthétiques dans ladite première enceinte.

  

[0020]    Dans une variante préférée, ledit milieu nourrissant dans ladite première enceinte comprend une solution nourrissante dans laquelle lesdits microorganismes photosynthétiques sont suspendus. Cela permet un brassage facile de cette suspension lorsqu'elle est exposée au soleil. De préférence, ladite première enceinte comprend au moins un moyen d'entraînement susceptible d'entraîner et/ou brasser lesdits microorganismes photosynthétiques et ledit milieu nourrissant.

  

[0021]    De préférence, sensiblement la totalité des parois desdites première et seconde enceintes peut être constituée d'une structure flexible. Les parois des enceintes peuvent donc être pliées, ce qui facilite le transport du photobioréacteur selon l'invention avant ou après son installation. En outre, la forme du photobioréacteur peut être modifiée selon les besoins.

  

[0022]    Dans une autre variante préférée, ledit milieu digestif dans la seconde enceinte comprend une masse fluidique digestive dans laquelle lesdits microorganismes photosynthétiques et lesdites bactéries anaérobies sont distribués. De préférence, ladite masse digestive est susceptible d'être pompée.

  

[0023]    Dans une variante avantageuse, lesdites première et seconde enceintes sont reliées l'une à l'autre par une conduite de transfert de biomasse. Cette variante constitue un système hermétique sans fuites de gaz ou de liquide et comprenant les deux enceintes et cette conduite.

  

[0024]    La première enceinte peut comprendre une cloison (f) définissant un premier volume partiel d'un côté de ladite cloison et un second volume partiel de l'autre côté de ladite cloison, ainsi qu'un premier moyen d'entraînement disposé dans un premier passage dans ladite enceinte/cloison et un second moyen d'entraînement disposé dans un second passage dans ladite enceinte/cloison. De préférence, ledit premier passage se situe à une première extrémité de ladite (première enceinte) cloison et ledit second passage se situe à une seconde extrémité de ladite (première enceinte) cloison. Cet arrangement définit un parcours en forme de circuit selon lequel on peut faire circuler ladite solution nourrissante dans laquelle lesdits microorganismes photosynthétiques sont suspendus.

  

[0025]    Ladite première enceinte et/ou ladite seconde enceinte peut être partiellement remplie d'un volume de liquide et partiellement remplie d'un volume de gaz au-dessus dudit liquide, de sorte que la pression dudit liquide supporte une partie inférieure et la pression dudit gaz supporte une partie supérieure de ladite première enceinte et/ou de ladite seconde enceinte. En variante, une partie inférieure de ladite première enceinte et/ou de ladite seconde enceinte peut être constituée d'une structure rigide tandis qu'une partie supérieure de ladite première enceinte et/ou de ladite seconde enceinte peut être constituée d'une structure flexible.

  

[0026]    De préférence, le liquide dans ladite première enceinte est constitué de ladite suspension de microorganismes dans une solution nourrissante, tandis que le liquide dans ladite seconde enceinte est constitué de ladite masse fluidique digestive.

  

[0027]    De préférence, le gaz dans ladite première enceinte (enceinte photosynthétique) comprend du dioxyde de carbone nécessaire pour le processus de photosynthèse. Il peut s'agir de dioxyde de carbone pur ou d'un mélange comportant ce-dernier, notamment de l'air enrichi en dioxyde de carbone. La présence simultanée, dans ladite première enceinte, de la solution nourrissante en bas et du dioxyde de carbone en haut permet une diffusion permanente de dioxyde de carbone vers la solution nourrissante pour y participer au métabolisme des microorganismes photosynthétiques suspendus dans cette-dernière.

  

[0028]    De préférence, le gaz dans ladite seconde enceinte (enceinte digestive) comprend du méthane produit lors de la digestion de la biomasse, c'est-à-dire lors de la biodégradation des microorganismes photosynthétiques, en provenance de la première enceinte.

  

[0029]    En ce qui concerne la structure du photobioréacteur, ladite première enceinte est en forme de tuyau et plus particulièrement en forme de tuyau comprenant au moins deux caissons séparés.

  

[0030]    En ce qui concerne les premiers raccords du photobioréacteur-digesteur au niveau de son enceinte photosynthétique, ladite première enceinte comprend au moins une ouverture de gaz par laquelle un gaz peut être introduit dans ladite première enceinte ou retiré de cette-dernière. Cette ouverture de gaz permet d'une part, au début d'un cycle de production de biomasse, d'amener un "gaz nourrissant", c'est-à-dire de l'air, notamment de l'air riche en dioxyde de carbone, ou du dioxyde de carbone, et d'autre part, à la fin du cycle de production de biomasse, de retirer le gaz "consommé", c'est-à-dire de l'air plus pauvre en dioxyde de carbone et enrichi d'oxygène.

   De préférence, ladite première enceinte comprend, d'une part, au moins une ouverture de gaz formée par un tuyau ou canal dont l'extrémité s'étend dans ledit milieu nourrissant, notamment ladite solution nourrissante avec ses microorganismes photosynthétiques suspendus, et, d'autre part, au moins une ouverture de gaz agencée au-dessus dudit milieu nourrissant, c'est-à-dire au-dessus de sa superficie dans l'espace gazeux. Au début d'un cycle de production de biomasse, on peut donc introduire l'air, notamment l'air riche en dioxyde de carbone, ou le dioxyde de carbone par ledit tuyau ou canal submergé, ce qui facilite la dissolution du dioxyde de carbone dans ladite solution aqueuse ou solution nourrissante.

   A la fin du cycle, on peut donc retirer le gaz qui s'est formé dans l'espace gazeux, c'est-à-dire l'air, maintenant plus pauvre en dioxyde de carbone et plus riche en oxygène qu'au début du cycle. Le carbone du dioxyde de carbone et retiré de l'air introduit au début se trouve alors assimilé dans la biomasse produite lors de ce cycle de production.

  

[0031]    En outre, ladite première enceinte comprend au moins une ouverture de liquide par laquelle un liquide peut être introduit dans ladite première enceinte ou retiré de cette-dernière. Cette ouverture de liquide permet l'introduction dudit milieu nourrissant, notamment ladite solution nourrissante qui comprend l'azote (N), le soufre (S), le phosphore (P) et d'autres "ingrédients" nécessaires pour le métabolisme d'un certain type de microorganismes photosynthétiques, notamment sous forme de sels dissous dans ladite solution aqueuse et constituant ladite solution nourrissante.

  

[0032]    Normalement, si l'on travaille avec une solution nourrissante, il faut de temps en temps rajouter dans ladite solution nourrissante les "ingrédients" utilisés dans le métabolisme des microorganismes et donc consommés lors d'un cycle de production de biomasse. Etant donné qu'une grande partie du poids de la biomasse produite lors d'un cycle de production photosynthétique provient du dioxyde de carbone, il en résulte que le gaz qui comporte le dioxyde de carbone doit être remplacé plus souvent que la solution nourrissante. Ou bien, au lieu de remplacer cette-dernière, on peut se contenter de ne rajouter que ce qui est consommé lors de la production de biomasse.

  

[0033]    En ce qui concerne les deuxièmes raccords du photobioréacteur-digesteur au niveau de son enceinte digestive, ladite seconde enceinte comprend au moins une ouverture de gaz par laquelle un gaz peut être introduit dans ladite seconde enceinte ou retiré de cette-dernière. De préférence, cette ouverture de gaz permet, à la fin d'un cycle de digestion de biomasse, de retirer du biogaz, c'est-à-dire un mélange comprenant du dioxyde de carbone et du méthane. Comme la digestion de la biomasse dans l'enceinte digestive s'effectue en régime anaérobie (méthanisation, en absence d'oxygène), ladite ouverture de gaz dans l'enceinte digestive reste fermée/bloquée hermétiquement lors du processus de méthanisation et est ouverte/débloquée de temps en temps en vue de retirer le biogaz produit.

  

[0034]    En outre, ladite seconde enceinte comprend au moins une ouverture de liquide par laquelle un liquide peut être introduit dans ladite seconde enceinte ou retiré de cette-dernière. Ce liquide ou plutôt cette masse fluidique de biomasse est constituée par les microorganismes photosynthétiques récoltés et enrichis. Avant et/ou lors de la méthanisation dans la seconde enceinte (enceinte digestive), les microorganismes subissent un traitement mécanique, notamment ultrasonique, pour briser ou au moins affaiblir les parois des cellules photosynthétiques telles que les microalgues. Ce traitement facilite la digestion de cette biomasse par les microorganismes anaérobies. Au début d'un cycle de digestion, on introduit la masse fluidique de biomasse dans ladite enceinte digestive.

   Après la digestion, on retire/enlève la masse par ladite au moins une ouverture de liquide. De préférence, l'enceinte digestive comprend au moins une ouverture de liquide à une hauteur au-dessus du niveau supérieur de la masse fluidique à digérer lorsque l'enceinte digestive est remplie de masse. C'est par cette ouverture que l'enceinte digestive peut être remplie de masse fluidique à digérer. En outre, on préfère avoir au moins une ouverture de liquide au fond de l'enceinte digestive ou dans une paroi latérale, chaque fois au niveau le plus bas de l'enceinte digestive. C'est par cette ouverture que l'enceinte digestive peut être évacuée en retirant/enlevant la masse fluidique digérée.

  

[0035]    Dans une variante avantageuse, ladite ouverture de gaz et/ou ladite ouverture de liquide est contrôlable. Cela permet un contrôle des flux de matière lors des cycles de production de biomasse et de biogaz.

Brève description des dessins

  

[0036]    L'invention sera bien comprise par la description ci-après d'un exemple de réalisation de l'invention, donné à titre nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lequels:
<tb>Fig. 1<sep>est une vue de dessus (plan schématique) d'un exemple de réalisation du photobioréacteur-digesteur selon l'invention;


  <tb>Fig. 2<sep>est une vue en coupe longitudinale selon la ligne A-A dans la Fig. 1;


  <tb>Fig. 3<sep>est une vue plus en détail et aussi en coupe longitudinale selon la ligne A-A dans la Fig. 1;


  <tb>Fig. 4<sep>est une vue en coupe longitudinale selon la ligne B-B dans la Fig. 1;


  <tb>Fig. 5<sep>est une vue en coupe transversale selon la ligne C-C dans la Fig. 1;


  <tb>Fig. 6<sep>est une vue en coupe transversale selon la ligne D-D dans la Fig. 1 montrant un premier état du photobioréacteur; et


  <tb>Fig. 7<sep>est la même vue en coupe transversale selon la ligne D-D dans la Fig. 1 montrant un deuxième état du photobioréacteur (déploiement des toiles transparentes du corps du photobioréacteur de la base et des digesteurs).

  

[0037]    Les figures illustrent schématiquement les parties essentielles ainsi que des détails d'un exemple de réalisation de la présente invention:

  

[0038]    Une structure a, nommée photobioréacteur, forme deux canaux parallèles réalisés en matériau transparent qui doit renfermer une suspension e contenant une culture de microalgues et une solution nourrissante, placée de façon à être exposée aux rayons solaires et en même temps tenue en dehors du contact direct avec l'air ambiant, de façon à former un milieu confiné ou relégué, ce qui permet de pressuriser l'intérieur et de régler les échanges d'air avec l'extérieur seulement à travers des ouvertures spéciales contrôlables.

  

[0039]    Une base liquide L, d'épaisseur variable, contenue dans une enveloppe flexible opaque.

  

[0040]    Deux digesteurs horizontaux 10a et 10b, réalisés en matériau flexible opaque, disposés de façon à embrasser et soutenir latéralement la structure a et la base L. A l'intérieur de ces digesteurs 10a et 10b s'effectue la digestion anaérobique de la biomasse provenant de la culture e.

  

[0041]    Une couverture supérieure b qui ferme hermétiquement et isole ladite structure a. L'espace s2 formé entre la structure a et une toile supérieure b doit être pour vu d'une valve d'ouverture pour le contrôle de la pression et de la ventilation.

  

[0042]    Un tuyau de ventilation d uni avec la structure a et permettant l'entrée de gaz pressurisé dans l'espace s1 situé au-dessus du liquide de culture e.

  

[0043]    Un tuyau d'aération c2 qui alimente d'air l'espace s2 délimité par la toile supérieure b pour la réalisation d'un flux d'air en contre-courant avec fonction de régulation thermique.

  

[0044]    Un gaz d nourrissant, composé par un mélange air + dioxyde de carbone sous pression.

  

[0045]    Deux mélangeurs à aubes 2a et 2b pour le déplacement du liquide de culture e.

  

[0046]    Une structure c4 qui contrôle le niveau de la biomasse en fermentation m et qui permet l'écoulement de l'effluent k.

  

[0047]    Une vanne 11 à commande de pression (vanne au contrôle presso statique) qui règle la pression du biogaz g.

  

[0048]    Deux supports terminaux aux extrémités 3a et 3b.

Description détaillée de l'exemple de réalisation de la présente invention

  

[0049]    Les figures montrent, à l'intérieur du photobioréacteur, deux canaux parallèles avec une phase liquide peu profonde disposée de manière qu'elle soit éclairée supérieurement par les rayons solaires et tourbillonnée par les deux mélangeurs 2a et 2b qui réalisent la liaison entre les deux canaux parallèles divisés par une paroi f, elle aussi réalisée en matériau transparent, par exemple le même matérieu que pour la structure a.

  

[0050]    Les deux digesteurs 10a et 10b et la base L limitent latéralement et intérieurement le photobioréacteur et ils sont remplis d'eau jusqu'au volume désiré.

  

[0051]    La forme caractéristique, observable en section, est obtenue par l'action simultanée du poids de la masse du liquide de culture e d'une part et de l'effet de la pression intérieure dans l'espace s1 générée par le ventilateur 4. La couverture supérieure b ancrée aux deux extrémités 3a et 3b par des profils (qui ne sont pas représentés dans les figures) constitue la deuxième couverture avec fonction de réglage thermique.

  

[0052]    La pression de l'air dans l'espace s2 générée par le ventilateur 5 soutient la couverture supérieure b. Cette pression est inférieure à la pression de l'air dans l'espace s1 générée par le ventilateur 4. La régulation ou une limitation des pressions internes dans les espaces s1 et s2 est possible au moyen des valves v1 et v2 calibrées pour s'ouvrir à une pression demandée ou prédéterminée.

  

[0053]    Comme illustré dans l'exemple de réalisation, la présente invention rend possible l'élimination de toutes les structures intermédiaires de soutien, en permettant une économie constructive considérable.

  

[0054]    Le photobioréacteur s'appuie sur la base L et l'eau qui le remplit réalise une surface plate et nivelée. L'interposition de cette base, entre le terrain et le photobioréacteur, en plus de créer une surface parfaitement horizontale, constitue une masse thermique importante pour le contrôle de la température du liquide de culture e. La base L permet donc un nivellement géométrique et un nivellement thermique.

  

[0055]    Le remplissage des canaux est réalisé au moyen de la pompe 7 et de la valve 8, tandis que la récolte a lieu par l'ouverture de la valve 9.

  

[0056]    Les mélangeurs 2a et 2b sont actionnés par les moteurs électriques 6 tournant à un nombre de tours suffisant pour induire un mouvement turbulent dans le liquide de culture.

  

[0057]    Les structures 3a et 3b possèdent des parties verticales pleines ou massives qui délimitent sur les deux bouts l'espace s2, tandis que les tirants t servent pour renforcer la structure.

  

[0058]    Le mélange gazeux air + dioxyde de carbone d, pressurisé par le ventilateur 4, est introduit, par le tuyau de ventilation d, dans l'espace s1 au-dessus de la suspension de microalgues e.

  

[0059]    En restant en contact avec le liquide de culture, la différence de pression partielle pCO2 et pO2 entre le milieu de culture e (phase liquide) et le mélange gazeux d (phase gazeuse) permet l'échange mutuel, entre phase liquide et phase gazeuse, de dioxyde de carbone dans un premier sens vers la suspension du milieu de culture e d'une part et d'oxygène, produit par la photosynthèse dans les microalgues, dans le sens opposé vers le mélange gazeux d d'autre part.

  

[0060]    La vitesse de déplacement du gaz doit être suffisamment lente pour permettre le meilleur échange des deux gaz. La ventilation pousse le gaz, maintenant épuisé, c'est-à-dire pauvre en CO2 et riche en O2, pour l'expulser vers l'extérieur à travers la valve v2, lorsque celle-ci s'ouvre, afin de stabiliser la pression interne.

  

[0061]    Les mélangeurs 2a et 2b ont la charge de remuer la suspension de microalgues de façon à optimiser l'exposition à la lumière pendant le jour et éviter la sédimentation pendant la nuit.

  

[0062]    Le photobioréacteur-digesteur selon la présente invention peut être utilisé aussi, au-delà de la production de microalgues, pour des cultures d'autres microorganismes photosynthétiques permettant la fixation de C02 et la production de biomasse.

  

[0063]    D'un point de vue économique, il est avantageux de combiner la fixation de CO2 avec la production de biodiesel et avec la dépuration de déchets liquides urbains ou agricoles.

  

[0064]    La biomasse produite, c'est-à-dire les microalgues, est récoltée et envoyée vers des installations extérieures (qui ne sont par représentées dans les figures) pour une filtration et/ou pour une extraction de lipides des cellules des microalgues. La biomasse épuisée h (dont les lipides ont été extraits) est (ré)introduite dans les digesteurs 10a et 10b à travers les conduites c3 pendant qu'une même quantité d'effluents k est expulsée par la conduite c4 dont la fonction est aussi de stabiliser le niveau de la masse m.

  

[0065]    Le flux ainsi obtenu doit permettre d'obtenir, avec la longueur du digesteur, un temps de résidence de la biomasse dans le digesteur afin de maximiser la production de biogaz.

  

[0066]    Le biogaz (mélange de CO2 et CH4) ainsi produit est stocké à l'intérieur des digesteurs mêmes qui fonctionnent aussi de gazomètre g. La pression du biogaz est tenue sous contrôle au moyen de la valve 11 (valve presso statique) et envoyé vers l'utilisateur final par la conduite c5.

  

[0067]    Le photobioréacteur-digesteur selon l'invention peut être utilisé aussi, au-delà de la production de microorganismes photosynthétiques et notamment la production de microalgues, pour la fixation (séquestration) de C02, pour la production de biodiesel et de biogaz. Ces-derniers peuvent être utilisés pour la production d'énergie électrique et thermique dans des installations de cogénération.

Application industrielle

  

[0068]    Les caractéristiques importantes pour l'application industrielle du photobioréacteur-digesteur de la présente invention sont les suivantes:
a) des canaux parallèles à flux horizontal qui contiennent le liquide de culture et qui peuvent être éclairés par les rayons du soleil, isolés de l'air extérieur par une surface (couverture) réalisée avec du matériel transparent et flexible,
b) une deuxième surface (couverture) également réalisée avec du matériel transparent et flexible, pour créer un tunnel transparent au-dessus des canaux sous-jacents,
c) les canaux et le tunnel assumant leur forme à cause de la pression interne,
d) des mélangeurs à l'intérieur des canaux et destinés à remuer avec leurs roues (pales et/ou aubes) le liquide de culture,
e) les canaux et le tunnel, fermés hermétiquement et pourvus de mécanismes de déchargement d'air,

   permettant un réglage et/ou un ajustage et/ou une limitation de leur pressions internes,
f) les espaces gazeux au-dessus de la phase liquide subissant une pressurisation par un mélange gazeux comportant une partie variable de CO2 (de l'air enrichi en CO2) et avec fonction nutritive,
g) les canaux parallèles qui sont mis en communication à leurs extrémités afin de créer une continuité (circuit fermé pour le liquide nutritif),
h) le flux d'air enrichi de CO2 restant relégué ou confiné à l'intérieur et en contact constant avec le milieu de culture lors des périodes variables et réglables selon les besoins,
i) le flux d'air en espaces fermés avec fonction de régulation thermique au moyen de ventilateurs extérieurs,
j) les espaces réalisés pour la pressurisation pouvant être utilisés comme réservoirs pour les mélanges gazeux enrichis en CO2,

   notamment pendant les périodes de nuit, et
k) une structure sans matériels rigides qui pourraient produire, sur toute leurs longueurs, des ombrages.

  

[0069]    La présente invention permet la création d'installations modulaires à bas coût, basées sur un système à "autodrome" (raceway) couvert et qui utilisent du CO2 ou des déchets agricoles ou urbains riches en azote et phosphore et permettant une stabilité de la température et une croissance vigoureuse de la biomasse tout en minimisant les émissions externes.

  

[0070]    Les avantages dérivant de la présente invention permettent de
1) réduire le coût énergétique de l'agitation du milieu de culture,
2) contrarier la prolifération de zooplancton prédateur dans le milieu de culture,
3) constituer un système efficace d'enrichissement en dioxyde de carbone indispensable pour une bonne productivité,
4) réaliser un système fermé qui permet de contrôler les échanges thermiques en rendant possible la gestion de la température du milieu de culture,
5) utiliser pour la construction des matériaux, donc des matériels transparent de bas coût et de disponibilité facile,
6) réaliser un système de photobioréacteurs-digesteurs fermés à bas coût de construction, qui rend économiquement avantageux des systèmes de cultures de dimensions vastes,

   développés selon des critères de modularité et pour une production de biomasse destinée à être transformée en biocombustibles, biocarburants, bioplastiques, etc.
7) utiliser le biogaz produit sur place pour la production d'énergie électrique et thermique par l'emploi de cogénérateurs électriques alimentés par biogaz et le recyclage des gaz d'échappement (fumées riches en C02) en tant que gaz nourrissant à l'intérieur de l'ensemble photobioréacteur-digesteur même pour l'optimisation de la production de microalgues.

  

[0071]    L'invention permet la culture de microalgues et la production de biogaz sur des bases efficaces et stables.

  

[0072]    Avantageusement, un photobioréacteur-digesteur selon l'invention pour la culture de microalgues (photosynthèse) et pour la production de biogaz (méthanisation, fermentation anaérobie) comprend les élément suivants:
un photobioréacteur constitué de deux canaux parallèles à flux horizontal qui contiennent un liquide de culture et qui peuvent être éclairés par les rayons du soleil, isolés de l'air extérieur par une surface réalisée avec du matériel transparent et à l'intérieur desquels les échanges gazeux avec l'extérieur soient réglables au moyen d'ouvertures spéciales contrôlables pour permettre la photosynthèse dans le liquide de culture;
une base liquide horizontale, d'épaisseur variable, contenue dans une enveloppe flexible opaque sur laquelle s'appuie le photobioréacteur;

  
deux digesteurs horizontaux, réalisés en matériel flexible opaque, disposés de façon à embrasser et soutenir le photobioréacteur et la base latéralement, et à l'intéreur desquels peut s'effectuer la digestion anaérobique de la biomasse produite par photosyntèse dans le photobioréacteur adjacent;
une deuxième couverture flexible et transparente qui crée un tunnel transparent sur les deux canaux flexibles sous-jacent et également transparent, le tunnel assumant sa forme à cause de la pression interne dans les canaux d'une part et dans le tunnel d'autre part;
des roues de mélangeur contenues dans les canaux et destinées à remuer au moyen de roues le liquide de culture;
les canaux et le tunnel sont fermés hermétiquement et sont pourvus de mécanismes d'échappement ou de déchargement de gaz;

  
les canaux sont pressurisés par un mélange gazeux composé d'air et une partie variable de CO2 à fonction nutritive;
les canaux parallèles sont mis en continuité au moyen des mélangeurs;
le flux d'air enrichi de CO2 reste relégué à l'intérieur et en contact constant avec le milieu de culture pendant des temps réglables selon les besoins;
le tunnel constitue un espace fermé dans lequel un flux d'air tempéré permet la régulation thermique au moyen de ventilateurs extérieurs;
les espaces réalisés pour la pressurisation peuvent être utilisés comme réservoirs pour le mélange gazeux enrichi de CO2 pendant les périodes de nuit;
une structure de photobioréacteur-digesteur sans matériaux rigides qui pourraient produire, sur toute leur longueur, des ombrages;

  
une structure de photobioréacteur-digesteur permettant simultanément la production de biomasse par photosynthèse et la production de biogaz / biocombustibles par digestion anaérobique à partir de cette biomasse produite;
une structure permettant le recyclage des gaz provenant de la combustion des biocombustibles produits, en tant que gaz nourrissant.

Claims

1. Photobioréacteur-digesteur pour la culture de microorganismes photosynthétiques, notamment de microalgues, comprenant une première enceinte renfermant des microorganismes photosynthétiques et un milieu nourrissant, lesdits microorganismes se trouvant en contact avec ledit milieu nourrissant et exposés au rayonnement solaire, caractérisé en ce que ladite première enceinte est reliée à une seconde enceinte renfermant des microorganismes photosynthétiques et un milieu digestif comprenant des bactéries anaérobies susceptibles de digérer lesdits microorganismes photosynthétiques en produisant du biogaz.

2. Photobioréacteur-digesteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite seconde enceinte contribue à l'appui d'une paroi de ladite première enceinte.

3. Photobioréacteur-digesteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins une partie de ladite première enceinte comprend une structure flexible supportée par la pression d'un gaz renfermé à l'intérieur de ladite première enceinte.

4. Photobioréacteur-digesteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins une partie de ladite seconde enceinte comprend une structure flexible supportée par la pression d'un gaz renfermé à l'intérieur de ladite seconde enceinte.

5. Photobioréacteur-digesteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins une partie de ladite première enceinte est au moins partiellement transparante au rayonnement solaire.

6. Photobioréacteur-digesteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit milieu nourrissant dans ladite première enceinte comprend une solution nourrissante dans laquelle lesdits microorganismes photosynthétiques sont suspendus.

7. Photobioréacteur-digesteur selon la revendication 6, caractérisé en ce ladite première enceinte comprend au moins un moyen d'entraînement susceptible à entraîner et/ou brasser lesdits microorganismes photosynthétiques et ledit milieu nourrissant.

8. Photobioréacteur-digesteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que sensiblement la totalité des parois desdites première et seconde enceintes est constituée d'une structure flexible.

9. Photobioréacteur-digesteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit milieu digestif dans la seconde enceinte comprend une masse fluidique digestive dans laquelle lesdits microorganismes photosynthétiques et lesdites bactéries anaérobies sont distribués.

10. Photobioréacteur-digesteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite masse digestive est susceptible d'être pompée.

11. Photobioréacteur-digesteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que lesdites première et seconde enceintes sont reliées l'une à l'autre par une conduite de transfert de biomasse.

12. Photobioréacteur-digesteur selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que ladite première enceinte comprend une cloison définissant un premier volume partiel d'un côté de ladite cloison et un second volume partiel de l'autre côté de ladite cloison, ainsi qu'un premier moyen d'entraînement disposé dans un premier passage dans ladite enceinte et un second moyen d'entraînement disposé dans un second passage dans ladite enceinte.

13. Photobioréacteur-digesteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit premier passage se situe à une première extrémité de ladite première enceinte et ledit second passage se situe à une seconde extrémité de ladite première enceinte.

14. Photobioréacteur-digesteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 13, caractérisé en ce que ladite première enceinte et/ou ladite seconde enceinte est partiellement remplie d'un volume de liquide et partiellement remplie d'un volume de gaz au-dessus dudit liquide, de sorte que la pression dudit liquide supporte une partie inférieure et la pression dudit gaz supporte une partie supérieure de ladite première enceinte et/ou de ladite seconde enceinte.

15. Photobioréacteur-digesteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 13, caractérisé en ce qu'une partie inférieure de ladite première enceinte et/ou de ladite seconde enceinte est constituée d'une structure rigide tandis qu'une partie supérieure de ladite première enceinte et/ou de ladite seconde enceinte est constituée d'une structure flexible.

16. Photobioréacteur-digesteur selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que le liquide dans ladite première enceinte est constitué de ladite suspension de microorganismes dans une solution nourrissante.

17. Photobioréacteur-digesteur selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que le liquide dans ladite seconde enceinte est constitué de ladite masse fluidique digestive.

18. Photobioréacteur-digesteur selon l'une quelconque des revendications 14 à 17, caractérisé en ce que le gaz dans ladite première enceinte comprend du dioxyde de carbone.

19. Photobioréacteur-digesteur selon l'une quelconque des revendications 14 à 18, caractérisé en ce que le gaz dans ladite seconde enceinte comprend du méthane.

20. Photobioréacteur-digesteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 19, caractérisé en ce que ladite première enceinte est en forme de tuyau.

21. Photobioréacteur-digesteur selon la revendication 20, caractérisé en ce que ledit tuyau comprend au moins deux caissons séparés.

22. Photobioréacteur-digesteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 21, caractérisé en ce que ladite première enceinte comprend au moins une ouverture de gaz par laquelle un gaz peut être introduit dans ladite première enceinte ou retiré de cette-dernière.

23. Photobioréacteur-digesteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 22, caractérisé en ce que ladite première enceinte comprend au moins une ouverture de liquide par laquelle un liquide peut être introduit dans ladite première enceinte ou retiré de cette-dernière.

24. Photobioréacteur-digesteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 23, caractérisé en ce que ladite seconde enceinte comprend au moins une ouverture de gaz par laquelle un gaz peut être introduit dans ladite seconde enceinte ou retiré de cette-dernière.

25. Photobioréacteur-digesteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 24, caractérisé en ce que ladite seconde enceinte comprend au moins une ouverture de liquide par laquelle un liquide peut être introduit dans ladite seconde enceinte ou retiré de cette-dernière.

26. Photobioréacteur-digesteur selon l'une quelconque des revendications 22 à 25, caractérisé en ce que ladite ouverture de gaz et/ou ladite ouverture de liquide est contrôlable.