EP2440648A2 - Photobioreacteur, notamment pour la croissance et le developpement de microorganismes photosynthetiques et heterotrophes - Google Patents

Photobioreacteur, notamment pour la croissance et le developpement de microorganismes photosynthetiques et heterotrophes

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Publication number
EP2440648A2
EP2440648A2 EP10734769A EP10734769A EP2440648A2 EP 2440648 A2 EP2440648 A2 EP 2440648A2 EP 10734769 A EP10734769 A EP 10734769A EP 10734769 A EP10734769 A EP 10734769A EP 2440648 A2 EP2440648 A2 EP 2440648A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tubes
photobioreactor
reflector
tube
photobioreactor according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10734769A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Edouard Kabakian
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of EP2440648A2 publication Critical patent/EP2440648A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M31/00—Means for providing, directing, scattering or concentrating light
    • C12M31/02—Means for providing, directing, scattering or concentrating light located outside the reactor
    • C12M31/04—Mirrors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02—Photobioreactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/02—Form or structure of the vessel
    • C12M23/06—Tubular
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/12—Pulsatile flow

Definitions

  • Photobioreactor especially for the growth and development of photosynthetic and heterotrophic microorganisms
  • the present invention relates to a photobioreactor, in particular for the growth and development of photosynthetic and heterotrophic microorganisms such as microalgae or cyanobacteria.
  • Microalgae and cyanobacteria are aquatic organisms ranging in size from micron to hundred microns in size, using light as a source of energy to fix carbon dioxide (CO 2 ). Like terrestrial plants, microalgae and cyanobacteria can accumulate the carbon absorbed in the form of lipids, which makes it possible to consider using them to produce biofuels.
  • microalgae and cyanobacteria exhibit a very high photosynthetic yield and cell growth rate (one to several tens of times higher than those of terrestrial oilseeds such as rapeseed, sunflower, etc.) and the fraction of biomass that can be used directly is maximal (on the contrary, terrestrial plants release part of the carbon absorbed towards lignocellulosic molecules, more difficult or impossible to valorize).
  • microalgae and cyanobacteria In order for the production of usable lipids (essentially triglycerides) to be maximal, microalgae and cyanobacteria should be subjected to alternating cycles of growth and oil production. Growth is achieved by feeding the microalgae with carbon dioxide and nitrogen at a medium to low light intensity; oil production is stimulated by stress generated by nitrogen deficiency and / or a sudden increase in light intensity. When conditions are optimized, microalgae and cyanobacteria can accumulate a quantity of lipids up to 80% of their dry weight.
  • the flat photobioreactors are essentially composed of two parallel transparent panels between which a thin layer of culture medium flows along a baffled path.
  • Flat photobioreactors are today neglected because of the leakage problems they encounter, their propensity for soiling (due to baffles) and the large number of units that would be necessary to implement to consider an industrial exploitation and commercial.
  • the tubular photobioreactors comprise one or more transparent tubes of various lengths and diameters (or widths). We distinguish :
  • column-type photobioreactors consisting of a large upright column whose diameter generally varies between 30 and
  • planar photobioreactors comprising a plurality of rigid tubes, generally of smaller diameters (less than 15 cm), arranged side by side and connected in the manner of a coil, the tubes all extending in the same horizontal inclined plane or vertical;
  • the triangular photobioreactors comprising a plurality of triangular tubes arranged side by side, the photobioreactor consequently having the shape of a triangular prism;
  • - helical photobioreactors constituted by a single long tube wound helically around a vertical structure
  • the geometry of the photobioreactor depends on the exposure of microorganisms to light.
  • the tubular photobioreactors allow great flexibility in size and volume and can be easily equipped with agitation and circulation devices of various types, depending on the microalgae or cyanobacteria grown.
  • the invention aims to overcome this disadvantage by proposing a tubular photobioreactor with innovative geometry, whose footprint is reduced for a yield equivalent to or greater than that offered by a known photobioreactor of the same volume of culture.
  • the invention proposes a photobioreactor comprising a plurality of reaction tubes, characterized in that it comprises at least one reflector arranged on one side of the photobioreactor and in that the tubes are arranged according to a plurality of layers which follow one another in a direction normal to the reflector taken in a central region thereof, each sheet having a plurality of tubes.
  • the tubes are arranged in the photobioreactor so that each tube is not completely obscured by another tube in this normal direction.
  • the photobioreactor according to the invention is intended to be installed outdoors so that the reflector extends below the tubes and reflects the sun's rays towards them. Preferably, it is installed so that the normal direction previously defined coincides substantially with the direction of the zenith.
  • the invention therefore lies in the combination of the use of a reflector and the vertical superposition of tube sheets.
  • the photobioreactor according to the invention has a small footprint compared to known tubular photobioreactors (triangular or planar).
  • all the tubes of the photobioreactor according to the invention are connected in series with each other.
  • all the tubes are connected in parallel.
  • the photobioreactor comprises several groups of tubes, the tubes of the same group being connected in series, the groups being connected in parallel.
  • all the tubes of the photobioreactor according to the invention are rectilinear and extend in the same direction orthogonal to the normal direction to the reflector.
  • the tubes therefore extend horizontally when the photobioreactor is installed so that the direction normal to the reflector substantially coincides with the direction of the zenith.
  • the reflector is cylindrical in section arcuate or oval (for example parabolic or semi-elliptical), and the tubes extend parallel to the generatrix of the reflector.
  • each tube receives substantially the same light intensity along its entire length when the photobioreactor is installed so that the tubes extend in a north-south direction or in north-south planes.
  • the plies are all cylindrical of circular or oval section, and concentric. Tablecloths "follow" the race of the sun.
  • the photobioreactor according to the invention has at least two tubes of different diameters interconnected.
  • the flow rate of the culture medium is constant from one tube to another within the photobioreactor, the circulation speed is increased in the tube or tubes of reduced diameter. This acceleration of the culture medium prevents sedimentation and flocculation of microorganisms.
  • the tubes of one and the same sheet have identical diameters and the diameter of the tubes decreases from one sheet to the next from the periphery to the center of the photobioreactor.
  • the term "diameter” here refers generally to the largest transverse dimension of each tube (it is a diameter in the usual sense of the term only when the tube has a circular cross section, being specified that the invention is not limited to circular section tubes).
  • Such an arrangement not only makes it possible to accelerate the culture medium in the tubes extending in the central part of the photobioreactor, but also to optimize exposure of the tubes to light.
  • the quantity and the quality of the light actually available for each microorganism in a tube depends not only on the incident luminous flux striking the tube but also on the diameter of said tube: the irradiance is attenuated exponentially inside the tube depending on the depth of culture medium (for a given cell concentration), due to a phenomenon known as self-shading and resulting from the absorption and diffusion of light by microorganisms.
  • the tubes located in the central portion of the photobioreactor may be partially hidden, in the direction of incident light rays, by the tubes located in the peripheral portion of the photobioreactor. They therefore receive an incident light flux which, depending on the time of day, may be less than that striking the peripheral tubes.
  • the central tubes advantageously have a smaller diameter, which limits energy losses by self-shading within the tube.
  • the difference in diameter between the peripheral and central tubes is chosen so as not to completely compensate for the difference in exposure of said tubes, in order to create zones of lower irradiance and zones of greater irradiance.
  • a sudden increase in irradiance can indeed stimulate the production of lipids in microorganisms.
  • the diameter and the number of tubes for each sheet are chosen so that the tubes occupy between 35% and 50% of the surface of the sheet (the sheet passing through the central axes of the tubes).
  • 50% to 65% of the incident light rays pass from a web to the next web from the periphery to the center of the photobioreactor.
  • the photobioreactor according to the invention comprises at least one device, preferably a pump or possibly a gas injector, for the axial circulation of a culture medium inside each tube. Furthermore, it comprises at least one deflector, preferably helical, for each tube, which deflectors promote mixing and homogenization of the culture medium. It is possible to replace the pump and the deflectors (fixed) by propeller-type stirring means, turbine, etc., in a plurality or in each of the tubes, since these means are not likely to injure the microorganisms.
  • baffles has the advantage of preserving cell integrity.
  • the tubes are connected in series by connecting bends arranged on two opposite end faces of the photobioreactor.
  • the connecting bends are arranged so that at most three (or possibly four) tubes of the same sheet are consecutive.
  • the culture medium passes several times from one sheet to another during a complete cycle; it is thus exposed to different sun exposures, at different speeds of circulation, etc., in an alternative manner.
  • the connecting bends are arranged so that the path traveled by the circulating culture medium is as horizontal as possible when the photobioreactor is installed so that the direction normal to the reflector substantially coincides with the direction of the zenith and / or that the tubes extend horizontally.
  • At least some tubes are each equipped with at least one diffuser for introducing products inside. said photobioreactor tubes. It is thus possible to introduce as examples in the photobioreactor CO2, NOx, nutrients, organic carbon, etc.
  • At least one artificial lighting for illuminating the reaction tubes is advantageously provided. This then allows to illuminate the photobioreactor tubes also when there is no sun, or insufficient daylight.
  • the artificial lighting is preferably placed in the center of the sheets, for better efficiency.
  • the reflector is a selective wavelength reflector, i.e. reflecting light in a range of wavelengths and allowing light to pass outside said range of wavelengths. wave.
  • the energy of the light passing through the reflector is advantageously recovered by at least one photovoltaic sensor disposed under the reflector. The energy then recovered at the level of the photovoltaic sensors can then be used for the energy supply of the artificial lighting.
  • the photobioreactor further comprises a protective cover, which can for example be used to provide a night thermal protection.
  • a protective cover which can for example be used to provide a night thermal protection.
  • FIG. 1 is a schematic view of a main part of a photobioreactor according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the tubes and the reflector of the photobioreactor of FIG.
  • FIGS. 1 and 2 The photobioreactor according to the invention illustrated in FIGS. 1 and 2 is observed in a position corresponding to its position of use.
  • the photobioreactor illustrated comprises a lower reflector 101 intended to be oriented towards the sun.
  • This reflector is cylindrical of parabolic section or arcuate.
  • Above this reflector extends a plurality of tubes 1 to 44 cylindrical. All the tubes are parallel to the generatrix of the reflector 101.
  • Each tube 1 to 44 is about 6 meters long, and the tubes extend facing each other transversely.
  • Each tube 1 to 44 is carried at each of its ends by a support plate 102, 103. These two only plates are used for fixing and supporting all the tubes.
  • Each tube 1 to 44 has a circular cross section, in order to limit deposits likely to form on the inner wall of the tube.
  • Each tube 1 to 44 is made of a synthetic material, such as a polycarbonate, preferably non-stick or provided with an internal non-stick coating to prevent or limit the formation of deposits on the inner wall of the tube.
  • the reference N indicates a normal direction to the reflector 101 contained in a median longitudinal plane thereof (the term "median” means that the plane intersects the reflector in two equal parts).
  • the tubes are arranged in successive layers in this normal direction above the reflector 101.
  • the photobioreactor comprises three cylindrical sheets of circular section. These sheets are also concentric, their common center rising about 3 meters from the ground.
  • Such a configuration makes it possible to accommodate a maximum number of tubes per unit area on the ground, while ensuring optimum irradiance for each of the tubes.
  • the illustrated photobioreactor comprises:
  • an outer ply 104 (cylindrical of circular section) of radius R1 of the order of 182 cm, this ply 104 comprising sixteen tubes referenced 1 to 16, all having an internal diameter of the order of 34 cm; an intermediate ply 105 (cylindrical of circular section) of radius R2 of the order of 142 cm, this ply 105 comprising fifteen tubes referenced 17 to 31, all having an internal diameter of the order of 28 cm;
  • this ply 106 comprising thirteen tubes referenced 32 to 44, all having an internal diameter of the order of 22 cm.
  • the tubes of the intermediate ply 105 are wedged angularly with respect to the tubes of the outer ply 104 at a wedging angle which is chosen so as to maximize the amount of light reaching the tubes of the intermediate ply.
  • the tube 17 is preferably centered angularly with respect to the tubes 1 and 16.
  • the tubes of the inner ply 106 are wedged angularly with respect to the tubes of the outer plies 104 and intermediate plies 105 at a wedging angle which is chosen to maximize the amount of light reaching the tubes of the inner sheet.
  • the tube 33 is centered angularly with respect to the tubes 18 and 19.
  • the arrangement of the set of tubes is further chosen so that a significant portion of the incident light rays passes through all the layers. and reaches the reflector 101 for the reflection of said rays to the tubes.
  • the photobioreactor according to the invention has a sunlit surface of the order of 235 m 2 and occupies a floor area of 35 m 2 , a multiplying coefficient of 6.7. It can also receive a volume of culture medium of 17,210 liters.
  • the tubes are separated by an arc of a circle equal in length to the diameter of the tubes of the layer increased by a multiplying coefficient of between 1.11 and 1.15.
  • the tubes are connected in series by means of connecting bends 45-49 projecting from the support plates 102, 103 (towards the outside of the photobioreactor). For the sake of clarity, only the elbows on the side of the support plate 102 are shown.
  • the connecting bends are arranged so as to make it possible to circulate a culture medium in the following way: tube 1, tube 2, tube 3, tube 19, tube 18, tube 17, tube 32, tube 33, tube 34, tube 20, tube 4, tube 5, tube 6, tube 22, tube 21, tube 35, tube 36, tube 37, tube 23, tube 7, tube 8, tube 9, tube 25, tube 24, tube 38, tube 39, tube 40, tube 26, tube 10, tube 11, tube 12, tube 28, tube 27, tube 41, tube 42, tube 29, tube 13, tube 14, tube 30, tube 43, tube 44, tube 31, tube 15, tube 16.
  • This path is advantageously defined so as to limit the vertical circulation of the medium. of culture.
  • the entry of the culture medium into the photobioreactor takes place in the upper part of the photobioreactor via the tube 1; the medium also comes out at the top through the tube 16, to be filtered or reintroduced into the tube 1 for an additional cycle.
  • a bend 45 connecting the tubes 2 and 3 an elbow connecting the tubes 19 and 18, an elbow connecting the tubes 17 and 32, an elbow connecting the tubes 33 and 34, an elbow connecting the tubes 20 and 4, an elbow connecting the tubes 5 and 6, an elbow connecting the tubes 22 and 21, an elbow connecting the tubes 35 and 36, an elbow connecting the tubes 37 and 23, an elbow connecting the tubes 7 and 8, an elbow connecting the tubes 9 and 25, an elbow connecting the tubes 24 and 38, an elbow connecting the tubes 39 and 40, an elbow connecting the tubes 26 and 10, an elbow connecting the tubes 11 and 12, an elbow connecting the tubes 28 and 27, an elbow connecting the tubes 41 and 42, an elbow connecting the tubes 29 and 13, an elbow connecting the tubes 14 and 30, an elbow connecting the tubes 43 and 44, a connecting elbow the tubes 31 and 15.
  • the order of travel in the tubes may also be as follows: tube 1 and then 6, 7, 5, 2, 41, 40, 3, 4, 8, 12, 13, 14, 15, 11, 9, 10, 16, 17, 18, 19, 24, 23, 20, 21, 22, 27, 26, 25, 30, 31, 32, 29, 28, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 42, 43 and finally tube 44 output.
  • the elbows are then adjusted accordingly to allow a flow of biomass in the photobioreactor according to this path.
  • Each tube is equipped with at least three diffusers (not shown) with variable flow, arranged at the support plate 102, 103 at the inlet (in the direction of circulation of the medium) of said tube, namely: a first diffuser adapted to to release CO 2 in the tube, a second diffuser capable of releasing nitrogen oxides (NOx) into the tube in order to provoke nitrogen stresses temporarily and in a timely manner, a third diffuser for the delivery of nutrients (trace elements and silica in particular).
  • Each tube may also be equipped with a fourth diffuser for the delivery of organic carbon if the culture medium contains heterotrophic microorganisms carbon.
  • only certain tubes are equipped with one or more diffusers (CO 2 , NOx, nutrients or organic carbon).
  • a specific diffuser can also be provided for the operation of the photobioreactor in heterotrophic mode.
  • a diffuser is for example provided with a rod, whose length may be of the order of 25 cm (illustrative but not limiting), to deliver nutrients to the central inlet of each tube.
  • the photobioreactor further comprises a variable flow pump (not shown) for the circulation of the culture medium.
  • the illustrated photobioreactor having a volume of about 17 m 3 , the pump is advantageously chosen so as to ensure a flow rate of between 17 and 105 m 3 / h, that is to say between one and six complete cycles per hour. .
  • the flow rate of the medium varies from single to double between the tubes 1 to 16 of the outer ply 104 and the tubes 32 to 44 of the inner ply 106.
  • the photobioreactor may optionally comprise several pumps, if necessary.
  • Each tube incorporates two helical baffles 50 (helical blade shape or, in a variant not shown, in the form of screws), one located at the inlet of the tube and the other located at its outlet.
  • the baffles may alternatively be incorporated in the connecting bends.
  • the shape (angle of attack, pitch, length, diameter, rounded edge %) and the material of the deflectors are chosen so as not to hurt the microorganisms. These deflectors promote the mixing of the culture medium.
  • the photobioreactor also comprises a buffer tank at the outlet, arranged to receive the culture medium exiting the tube 16.
  • the volume of this buffer tank may be of the order of 1000 liters. It is preferably located at the same height as the exit of the tube 16 in order to avoid any loss of load that would be related to the difference in level.
  • This buffer tank can also serve as a bypass tank for connecting two photobioreactors together, in series or in parallel.
  • the buffer tank is advantageously provided with a membrane permeable to oxygen and impermeable to carbon dioxide. If necessary, if necessary, a pump may also or alternatively be provided to ensure a partial vacuum in the buffer tank to evacuate the oxygen released by the microorganisms.
  • Such a photobioreactor is intended to be installed so that the normal direction N coincides substantially with the direction of the zenith and that the tubes 1 to 44 extend in directions (horizontal) north-south, in order to capture a maximum of energy bright throughout the course of the sun. It is also possible to slightly tilt the photobioreactor so that the incident light rays are orthogonal to the axes of the tubes in the middle of the day (when the sun is at the highest).
  • the photobioreactor according to the invention is particularly intended for the biofuel industry (for the development of microalgae rich in lipids) as well as for the food industry and the cosmetics and pharmaceutical industry.
  • artificial lighting 51 ( Figure 2) can be provided.
  • This artificial lighting 51 preferably extends parallel to the tubes of the photobioreactor for better illumination of said tubes.
  • This artificial lighting 51 is in this case a centrifugal lighting that comes to substantially illuminate the less well-lit areas.
  • This artificial lighting 51 also makes it possible (or alternatively) to create in other zones a concentration of light, thus stimulating photosynthetic microorganisms.
  • artificial lighting 51 can also be used to interrupt the nocturnal cycle and improve fixation of organic matter in heterotrophic.
  • the reflector 101 is a selective reflector that reflects light in the range of wavelengths used by the microorganisms to effect photosynthesis and which allows the light to pass outside this range of wavelengths.
  • the light then passing through the reflector 101 is then advantageously captured by a panel 52 of photovoltaic sensors placed under the reflector 101.
  • microorganism-friendly light has a wavelength between 400 and 700 nm ( 10-9 m), which is about 45% of the light emitted by the sun, so the reflector is transparent to the waves. outside of this wavelength range, it is therefore 55% of the solar energy that is potentially available for the panel 52 and therefore the production of electricity.
  • the energy thus recovered can be used directly by the artificial lighting 51 and thus illuminate the tubes at an angle different from the direct sunlight angle or reflected by the reflector 101.
  • An alternative embodiment can also provide a storage energy recovered by the panel 52, in a battery (not shown) and then be used at will for lighting the tubes.
  • the tarpaulin used is for example made of a transparent synthetic material passing light rays useful for photosynthesis and further having a calorific value and insulating.
  • a thick and dark tarpaulin can be considered.
  • the photobioreactor can be covered in the day by a tarpaulin made in a transparent film (type greenhouse) to maintain the temperature inside the system and at night, this tarpaulin can be doubled by a thicker tarpaulin.
  • a tarpaulin made in a transparent film (type greenhouse) to maintain the temperature inside the system and at night, this tarpaulin can be doubled by a thicker tarpaulin.
  • a ventilation system can be used for temperature regulation.
  • the ventilation system can also be supplied with electrical energy directly by the panel 52 or by means of accumulators.
  • the photobioreactor is also preferably protected against UV (ultraviolet).
  • a first protection can be obtained by the choice of materials for the production of the tubes.
  • a second protection proposed here is to protect the photobioreactor by a transparent UV antireflective tarpaulin, this tarpaulin being for example arranged in an arc on the photobioreactor following the rotation of the sun.
  • the invention may be subject to numerous variations with respect to the illustrated embodiment, provided that these variants fall within the scope delimited by the claims.
  • the outer ply 104 could comprise seventeen tubes (34 cm in diameter) and have a radius of 192 cm.
  • the photobioreactor could have the following characteristics:
  • first cylindrical ply of circular section and radius of the order of 200 cm this ply comprising twenty-five tubes of 22 cm internal diameter
  • second cylindrical sheet of circular section and radius of the order of 160 cm this sheet comprising twenty-five tubes of 18 cm internal diameter
  • this sheet comprising twenty-one tubes of 12 cm internal diameter.
  • This embodiment provides 301 m 2 of illuminated area and occupies a floor area of 35 m 2 , a multiplying factor of 8.62, for a volume of culture medium of 13 250 liters (if the length of the tubes is 6 m).
  • the invention is not limited to the number of plies, rays of plies, number of tubes, diameters and length of tubes described and illustrated.
  • the various characteristic dimensions of the photobioreactor must be chosen in particular according to the sunshine of the place of installation of the photobioreactor and the cultivated variety of microorganisms.
  • the invention is also not limited to circular section plies. It extends for example to flat sheets.

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Abstract

L'invention concerne un photobioréacteur, notamment pour la croissance et le développement de microorganismes photosynthétiques tels que microalgues ou cyanobactéries. Le photobioréacteur comprend au moins un réflecteur (101) agencé d'un côté du photobioréacteur et des tubes agencés selon une pluralité de nappes qui se succèdent selon une direction normale (N) au réflecteur prise en une région centrale de celui-ci, chaque nappe comportant plusieurs tubes. De préférence, les tubes (1, 16...) sont rectilignes et s'étendent selon une direction orthogonale à la direction normale (N), le réflecteur est cylindrique de section circulaire ou ovale, et les nappes sont cylindriques de section circulaire ou ovale et concentriques.

Description

Photobioréacteur, notamment pour la croissance et le développement de microorganismes photosynthétiques et hétérotrophes
La présente invention concerne un photobioréacteur, notamment pour la croissance et le développement de microorganismes photosynthétiques et hétérotrophes tels que des microalgues ou des cyanobactéries.
Les microalgues et les cyanobactéries sont des organismes aquatiques dont la taille varie du micron à la centaine de microns et qui utilisent la lumière comme source d'énergie pour fixer le dioxyde de carbone (CO2). Comme les végétaux terrestres, les microalgues et les cyanobactéries peuvent accumuler le carbone absorbé sous forme de lipides, ce qui permet d'envisager de les utiliser pour produire des biocarburants. Une telle utilisation est d'autant plus prometteuse que les microalgues et les cyanobactéries présentent un rendement photosynthétique et un taux de croissance cellulaire très élevés (une à plusieurs dizaines de fois supérieurs à ceux des oléagineux terrestres tels que colza, tournesol...) et que la fraction de biomasse directement utilisable est maximale (à l'inverse, les végétaux terrestres dévoient une partie du carbone absorbé vers des molécules lignocellulosiques, plus difficiles voire impossible à valoriser).
Pour que la production en lipides utilisables (essentiellement les triglycérides) soit maximale, il convient de soumettre les microalgues et cyanobactéries à des cycles alternant croissance et production d'huile. La croissance est obtenue en alimentant les microalgues en dioxyde de carbone et en azote, sous une intensité lumineuse moyenne à faible ; la production d'huile est stimulée par un stress généré par une carence en azote et/ou une augmentation soudaine de l'intensité lumineuse. Lorsque les conditions sont optimisées, les microalgues et cyanobactéries peuvent accumuler une quantité de lipides allant jusqu'à 80% de leur poids sec.
Il existe actuellement deux manières de produire des microalgues et cyanobactéries : la culture à ciel ouvert, dans des étangs de type "champ de course", et la culture dans une enceinte fermée transparente appelée photobioréacteur. Les cultures ouvertes offrent des rendements moindres, exigent un apport en eau important pour compenser l'évaporation et sont sensibles à la contamination. Les photobioréacteurs peuvent compenser un coût supérieur par des productivités élevées, grâce à une plus grande maîtrise des conditions d'accès aux ressources nutritives, de l'exposition à la lumière et du transfert du CO2 de la phase gazeuse vers la phase liquide.
Il existe deux grands types de photobioréacteur : les photobioréacteurs plats et les photobioréacteurs tubulaires. Les photobioréacteurs plats sont essentiellement composés de deux panneaux transparents parallèles entre lesquels circule une mince couche de milieu de culture selon un parcours à chicanes. Les photobioréacteurs plats sont aujourd'hui délaissés en raison des problèmes de fuite qu'ils rencontrent, de leur propension aux salissures (due aux chicanes) et du grand nombre d'unités qu'il serait nécessaire de mettre en œuvre pour envisager une exploitation industrielle et commerciale.
Les photobioréacteurs tubulaires comprennent un ou plusieurs tubes transparents de longueurs et de diamètres (ou largeurs) divers. On distingue :
- les photobioréacteurs de type colonne, formé d'une large colonne dressée verticalement dont le diamètre varie généralement entre 30 et
60 cm ;
- les photobioréacteurs plans comprenant une pluralité de tubes rigides, généralement de plus faibles diamètres (moins de 15 cm), disposés côte à côte et reliés à la façon d'un serpentin, les tubes s'étendant tous dans un même plan horizontal, incliné ou vertical ;
- les photobioréacteurs triangulaires comprenant une pluralité de tubes triangulaires agencés côte à côte, le photobioréacteur ayant par conséquent la forme d'un prisme à base triangulaire ;
- les photobioréacteurs hélicoïdaux, constitués à l'aide d'un tube unique de grande longueur enroulé en hélice autour d'une structure verticale ;
- les photobioréacteurs dont les tubes sont formés dans un panneau rigide extrudé à double paroi.
De la géométrie du photobioréacteur dépend l'exposition des microorganismes à la lumière. Les photobioréacteurs tubulaires autorisent une grande flexibilité en taille et en volume et peuvent être aisément équipés de dispositifs d'agitation et de circulation de types divers, en fonction des microalgues ou cyanobactéries cultivées.
Cela étant, les photobioréacteurs tubulaires connus présentent l'inconvénient d'un grand encombrement au sol, ce qui limite le rendement à l'hectare obtenu.
L'invention vise à pallier cet inconvénient en proposant un photobioréacteur tubulaire à géométrie innovante, dont l'encombrement au sol est réduit pour un rendement équivalent ou supérieur à celui offert par un photobioréacteur connu de même volume de culture.
Pour ce faire, l'invention propose un photobioréacteur comprenant une pluralité de tubes de réaction, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un réflecteur agencé d'un côté du photobioréacteur et en ce que les tubes sont agencés selon une pluralité de nappes qui se succèdent selon une direction normale au réflecteur prise en une région centrale de celui-ci, chaque nappe comportant plusieurs tubes.
De préférence, les tubes sont agencés dans le photobioréacteur de façon à ce que chaque tube ne soit pas complètement occulté par un autre tube selon cette direction normale. Le photobioréacteur selon l'invention est destiné à être installé en extérieur de façon à ce que le réflecteur s'étende en-dessous des tubes et réfléchisse les rayons du soleil vers ceux-ci. De préférence, il est installé de façon à ce que la direction normale précédemment définie coïncide sensiblement avec la direction du zénith. L'invention réside donc dans la combinaison de l'utilisation d'un réflecteur et de la superposition verticale de nappes de tubes. Le photobioréacteur selon l'invention présente un encombrement réduit comparé aux photobioréacteurs tubulaires (triangulaires ou plans) connus.
De préférence, tous les tubes du photobioréacteur selon l'invention sont reliés en série les uns aux autres. En variante, tous les tubes sont reliés en parallèle. En variante, le photobioréacteur comprend plusieurs groupes de tubes, les tubes d'un même groupe étant reliés en série, les groupes étant reliés en parallèle.
Avantageusement, tous les tubes du photobioréacteur selon l'invention sont rectilignes et s'étendent selon une même direction orthogonale à la direction normale au réflecteur. Les tubes s'étendent donc horizontalement lorsque le photobioréacteur est installé de façon à ce que la direction normale au réflecteur coïncide sensiblement avec la direction du zénith.
Avantageusement, le réflecteur est cylindrique de section en arc de cercle ou ovale (par exemple parabolique ou semi-elliptique), et les tubes s'étendent parallèlement à la génératrice du réflecteur. Ainsi, chaque tube reçoit sensiblement la même intensité lumineuse sur toute sa longueur lorsque le photobioréacteur est installé de façon à ce que les tubes s'étendent selon une direction nord-sud ou dans des plans nord-sud. Selon un agencement préféré, les nappes sont toutes cylindriques de section circulaire ou ovale, et concentriques. Les nappes "suivent" ainsi la course du soleil.
Avantageusement, le photobioréacteur selon l'invention présente au moins deux tubes de diamètres différents reliés entre eux. Le débit de circulation du milieu de culture étant constant d'un tube à l'autre au sein du photobioréacteur, la vitesse de circulation est accrue dans le ou les tubes de diamètre réduit. Cette accélération du milieu de culture évite la sédimentation et la floculation des microorganismes.
De préférence, les tubes d'une même nappe présentent des diamètres identiques et le diamètre des tubes diminue d'une nappe à la suivante depuis la périphérie vers le centre du photobioréacteur. A noter que le terme "diamètre" désigne ici de façon générale la plus grande dimension transversale de chaque tube (il s'agit d'un diamètre au sens usuel du terme uniquement lorsque le tube présente une section droite circulaire, étant précisé que l'invention n'est pas limitée à des tubes de section circulaire). Un tel agencement permet non seulement d'accélérer le milieu de culture dans les tubes s'étendant en partie centrale du photobioréacteur, mais aussi d'optimiser l'exposition des tubes à la lumière. En effet, la quantité et la qualité de la lumière réellement disponible pour chaque microorganisme dans un tube dépend non seulement du flux lumineux incident frappant le tube mais aussi du diamètre dudit tube : l'irradiance est atténuée de façon exponentielle à l'intérieur du tube en fonction de la profondeur de milieu de culture (pour une concentration cellulaire donnée), en raison d'un phénomène connu sous le nom d'auto-ombrage et qui résulte de l'absorption et de la diffusion de la lumière par les microorganismes. Dans le photobioréacteur selon l'invention, les tubes situés en partie centrale du photobioréacteur sont susceptibles d'être partiellement cachés, selon la direction des rayons lumineux incidents, par les tubes situés en partie périphérique du photobioréacteur. Ils reçoivent donc un flux lumineux incident qui, selon le moment de la journée, peut être inférieur à celui frappant les tubes périphériques. Pour compenser cette plus faible exposition, les tubes centraux présentent avantageusement un diamètre moindre, qui limite les pertes énergétiques par auto-ombrage au sein du tube. De préférence, la différence de diamètre entre les tubes périphériques et centraux est choisie de façon à ne pas compenser totalement la différence d'exposition desdits tubes, afin de créer des zones de plus faible irradiance et des zones de plus forte irradiance. Un accroissement soudain de l'irradiance peut en effet stimuler la production de lipides chez les microorganismes. Il n'est cependant pas exclu de choisir d'ajuster les diamètres des tubes périphériques et centraux de façon à obtenir une irradiance sensiblement uniforme linéairement (le long des tubes) dans l'ensemble du photobioréacteur.
Avantageusement, le diamètre et le nombre de tubes pour chaque nappe sont choisis de façon à ce que les tubes occupent entre 35% et 50% de la surface de la nappe (la nappe passant par les axes centraux des tubes). En d'autres termes, 50% à 65% des rayons lumineux incidents passent d'une nappe à la nappe suivante depuis la périphérie vers le centre du photobioréacteur. Un tel agencement permet d'optimiser à la fois l'encombrement du photobioréacteur et l'exposition au soleil des tubes situés en partie centrale du photobioréacteur.
Avantageusement, le photobioréacteur selon l'invention comprend au moins un dispositif, de préférence une pompe ou éventuellement un injecteur de gaz, pour la circulation axiale d'un milieu de culture à l'intérieur de chaque tube. Par ailleurs, il comporte au moins un déflecteur, de préférence hélicoïdal, pour chaque tube, lesquels déflecteurs favorisent le mélange et l'homogénéisation du milieu de culture. Il est possible de remplacer la pompe et les déflecteurs (fixes) par des moyens d'agitation de type hélice, turbine, etc., dans une pluralité ou dans chacun des tubes, dès lors que ces moyens ne sont pas de nature à blesser les microorganismes. L'utilisation de déflecteurs présente l'avantage de préserver l'intégrité cellulaire.
De préférence, les tubes sont reliés en série par des coudes de liaison agencés sur deux faces d'extrémité opposées du photobioréacteur. Avantageusement, les coudes de liaison sont disposés de façon à ce qu'au plus trois (ou éventuellement quatre) tubes d'une même nappe soient consécutifs. En d'autres termes, le milieu de culture passe plusieurs fois d'une nappe à une autre au cours d'un cycle complet ; il est ainsi soumis à des expositions au soleil différentes, à des vitesses de circulation différentes, etc., ce de façon alternative. De préférence également, les coudes de liaison sont disposés de sorte que le chemin parcouru par le milieu de culture en circulation soit le plus horizontal possible lorsque le photobioréacteur est installé de façon à ce que la direction normale au réflecteur coïncide sensiblement avec la direction du zénith et/ou à ce que les tubes s'étendent horizontalement.
Pour mieux maîtriser la synthèse se réalisant dans les tubes du photobioréacteur selon l'invention, il est proposé dans une variante de réalisation qu'au moins certains tubes soient équipés chacun d'au moins un diffuseur permettant d'introduire des produits à l'intérieur desdits tubes du photobioréacteur. On peut ainsi introduire à titre d'exemples dans le photobioréacteur du CO2, des NOx, des nutriments, du carbone organique, etc..
Pour mieux contrôler aussi la synthèse dans le photobioréacteur, au moins un éclairage artificiel permettant l'éclairage des tubes de réaction est avantageusement prévu. Ceci permet alors d'éclairer les tubes du photobioréacteur également lorsqu'il n'y a pas de soleil, ou insuffisamment de lumière du jour.
Dans la forme de réalisation avantageuse dans laquelle les tubes sont disposés en nappes concentriques, l'éclairage artificiel est de préférence placé au centre des nappes, pour une meilleure efficacité. Une variante de réalisation préférée prévoit que le réflecteur est un réflecteur à longueurs d'onde sélectif, c'est-à-dire réfléchissant la lumière dans une gamme de longueurs d'ondes et laissant passer la lumière en dehors de ladite gamme de longueur d'ondes. Dans un tel cas, l'énergie de la lumière traversant le réflecteur est avantageusement récupérée par au moins un capteur photovoltaïque disposé sous le réflecteur. L'énergie alors récupérée au niveau des capteurs photovoltaïques peut alors être utilisée pour l'alimentation en énergie de l'éclairage artificiel.
Enfin, on peut prévoir que le photobioréacteur comporte en outre une bâche de protection, qui peut par exemple être utilisée pour assurer une protection thermique nocturne. D'autres détails et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, qui se réfère aux dessins schématiques annexés et porte sur des modes de réalisation préférentiels, fournis à titre d'exemples non limitatifs. Sur ces dessins :
- la figure 1 est une vue schématique d'une partie principale d'un photobioréacteur selon l'invention,
- la figure 2 est une vue schématique en coupe transversale des tubes et du réflecteur du photobioréacteur de la figure 1.
Le photobioréacteur selon l'invention illustré sur les figures 1 et 2 est observé dans une position correspondant à sa position d'utilisation. Les termes "vertical", "horizontal1, "au-dessus", "en dessous", "inférieur", "supérieur", etc., font référence à cette position.
Le photobioréacteur illustré comprend un réflecteur 101 inférieur destiné à être orienté en direction du soleil. Ce réflecteur est cylindrique de section parabolique ou en arc de cercle. Au-dessus de ce réflecteur s'étend une pluralité de tubes 1 à 44 cylindriques. Tous les tubes sont parallèles à la génératrice du réflecteur 101. Chaque tube 1 à 44 mesure environ 6 mètres de long, et les tubes s'étendent en regard les uns des autres transversalement. Chaque tube 1 à 44 est porté à chacune de ses extrémités par une plaque support 102, 103. Ces deux seules plaques servent à la fixation et au support de tous les tubes. Chaque tube
1 à 44 présente une section droite circulaire, ce afin de limiter les dépôts susceptibles de se former sur la paroi interne du tube. Chaque tube 1 à 44 est en un matériau synthétique, tel qu'un polycarbonate, de préférence anti-adhérent ou pourvu d'un revêtement interne anti-adhérent afin d'éviter ou de limiter la formation de dépôts sur la paroi interne du tube.
La référence N indique une direction normale au réflecteur 101 contenue dans un plan longitudinal médian de celui-ci (le terme "médian" signifiant que le plan coupe le réflecteur en deux parties égales). Selon l'invention, les tubes sont agencés en nappes qui se succèdent selon cette direction normale au- dessus du réflecteur 101. En l'exemple illustré, le photobioréacteur comprend trois nappes cylindriques de section circulaire. Ces nappes sont par ailleurs concentriques, leur centre commun s'élevant à environ 3 mètres du sol.
Une telle configuration permet de loger un nombre maximal de tubes par unité de surface au sol, tout en garantissant une irradiance optimale pour chacun des tubes.
Plus précisément, le photobioréacteur illustré comprend :
- une nappe extérieure 104 (cylindrique de section circulaire) de rayon R1 de l'ordre de 182 cm, cette nappe 104 comportant seize tubes référencés 1 à 16 présentant tous un diamètre interne de l'ordre de 34 cm ; - une nappe intermédiaire 105 (cylindrique de section circulaire) de rayon R2 de l'ordre de 142 cm, cette nappe 105 comportant quinze tubes référencés 17 à 31 présentant tous un diamètre interne de l'ordre de 28 cm ;
- une nappe intérieure 106 (cylindrique de section circulaire) de rayon R3 de l'ordre de 92 cm, cette nappe 106 comportant treize tubes référencés 32 à 44 présentant tous un diamètre interne de l'ordre de 22 cm.
Les tubes de la nappe intermédiaire 105 sont calés angulairement par rapport aux tubes de la nappe extérieure 104 selon un angle de calage qui est choisi de façon à maximiser la quantité de lumière atteignant les tubes de la nappe intermédiaire. A cette fin, le tube 17 est de préférence centré angulairement par rapport aux tubes 1 et 16. De même, les tubes de la nappe intérieure 106 sont calés angulairement par rapport aux tubes des nappes extérieure 104 et intermédiaire 105 selon un angle de calage qui est choisi de façon à maximiser la quantité de lumière atteignant les tubes de la nappe intérieure. En l'exemple illustré, le tube 33 est centré angulairement par rapport aux tubes 18 et 19. L'agencement de l'ensemble des tubes est de plus choisi de sorte qu'une partie significative des rayons lumineux incidents traverse l'ensemble des nappes et atteigne le réflecteur 101 en vue de la réflexion desdits rayons vers les tubes.
Dans la configuration illustrée, le photobioréacteur selon l'invention possède une surface éclairée par le soleil de l'ordre de 235 m2 et occupe une surface au sol de 35 m2, soit un coefficient multiplicateur de 6,7. Il peut par ailleurs recevoir un volume de milieu de culture de 17 210 litres.
Sur chaque nappe circulaire, les tubes sont distants d'un arc de cercle de longueur égale au diamètre des tubes de la nappe augmenté par un coefficient multiplicateur compris entre 1 ,01 et 1 ,15.
Les tubes sont reliés en série à l'aide de coudes de liaison 45-49 s'étendant en saillie des plaques supports 102, 103 (vers l'extérieur du photobioréacteur). Par souci de clarté, seuls les coudes situés du côté de la plaque support 102 sont représentés. Les coudes de liaison sont agencés de façon à permettre de faire circuler un milieu de culture selon le chemin suivant : tube 1 , tube 2, tube 3, tube 19, tube 18, tube 17, tube 32, tube 33, tube 34, tube 20, tube 4, tube 5, tube 6, tube 22, tube 21 , tube 35, tube 36, tube 37, tube 23, tube 7, tube 8, tube 9, tube 25, tube 24, tube 38, tube 39, tube 40, tube 26, tube 10, tube 11 , tube 12, tube 28, tube 27, tube 41 , tube 42, tube 29, tube 13, tube 14, tube 30, tube 43, tube 44, tube 31 , tube 15, tube 16. Ce chemin est avantageusement défini de façon à limiter la circulation verticale du milieu de culture. L'entrée du milieu de culture dans le photobioréacteur s'effectue en partie haute du photobioréacteur par le tube 1 ; le milieu en sort également en partie haute par le tube 16, pour être filtré ou réintroduit dans le tube 1 pour un cycle supplémentaire.
En conséquence, du côté de la plaque support 102 sont prévus les coudes suivants : un coude 45 reliant les tubes 2 et 3, un coude reliant les tubes 19 et 18, un coude reliant les tubes 17 et 32, un coude reliant les tubes 33 et 34, un coude reliant les tubes 20 et 4, un coude reliant les tubes 5 et 6, un coude reliant les tubes 22 et 21 , un coude reliant les tubes 35 et 36, un coude reliant les tubes 37 et 23, un coude reliant les tubes 7 et 8, un coude reliant les tubes 9 et 25, un coude reliant les tubes 24 et 38, un coude reliant les tubes 39 et 40, un coude reliant les tubes 26 et 10, un coude reliant les tubes 11 et 12, un coude reliant les tubes 28 et 27, un coude reliant les tubes 41 et 42, un coude reliant les tubes 29 et 13, un coude reliant les tubes 14 et 30, un coude reliant les tubes 43 et 44, un coude reliant les tubes 31 et 15.
Du côté de la plaque support 103 sont donc prévus les coudes suivants : un coude reliant les tubes 3 et 19, un coude reliant les tubes 18 et 17, un coude reliant les tubes 32 et 33, un coude reliant les tubes 34 et 20, un coude reliant les tubes 4 et 5, un coude reliant les tubes 6 et 22, un coude reliant les tubes 21 et 35, un coude reliant les tubes 36 et 37, un coude reliant les tubes 23 et 7, un coude reliant les tubes 8 et 9, un coude reliant les tubes 25 et 24, un coude reliant les tubes 38 et 39, un coude reliant les tubes 40 et 26, un coude reliant les tubes 10 et 11 , un coude reliant les tubes 12 et 28, un coude reliant les tubes 27 et 41 , un coude reliant les tubes 42 et 29, un coude reliant les tubes 13 et 14, un coude reliant les tubes 30 et 43, un coude reliant les tubes 44 et 31 , un coude reliant les tubes 15 et 16.
En variante de réalisation, l'ordre de cheminement dans les tubes peut aussi être le suivant : tube 1 puis 6, 7, 5, 2, 41 , 40, 3, 4, 8, 12, 13, 14, 15, 11 , 9, 10, 16, 17, 18, 19, 24, 23, 20, 21 , 22, 27, 26, 25, 30, 31 , 32, 29, 28, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 42, 43 et enfin tube 44 en sortie. Les coudes sont alors aménagés en conséquence pour permettre une circulation de la biomasse dans le photobioréacteur selon ce cheminement. Chaque tube est équipé d'au moins trois diffuseurs (non représentés) à débit variable, agencés au niveau de la plaque support 102, 103 en entrée (dans le sens de circulation du milieu) dudit tube, à savoir : un premier diffuseur apte à libérer du CO2 dans le tube, un deuxième diffuseur apte à libérer des oxydes d'azote (NOx) dans le tube en vue de provoquer des stress azotés de façon temporaire et en temps opportun, un troisième diffuseur pour la délivrance de nutriments (oligoéléments et silice notamment). Chaque tube peut également être équipé d'un quatrième diffuseur pour la délivrance de carbone organique si le milieu de culture contient des microorganismes hétérotrophes au carbone. En variante, seulement certains tubes sont équipés d'un ou de plusieurs diffuseurs (CO2, NOx, nutriments ou carbone organique). Un diffuseur spécifique peut également être prévu pour le fonctionnement du photobioréacteur en mode hétérotrophe. Un tel diffuseur est par exemple doté d'une tige, dont la longueur peut être de l'ordre de 25 cm (valeur illustrative mais non limitative), pour acheminer des nutriments à l'entrée centrale de chaque tube.
Le photobioréacteur comprend de plus une pompe à débit variable (non représentée) pour la circulation du milieu de culture. Le photobioréacteur illustré présentant un volume d'environ 17 m3, la pompe est avantageusement choisie de façon à pouvoir assurer un débit compris entre 17 et 105 m3/h, c'est-à-dire entre un et six cycles complets par heure. La vitesse de circulation du milieu varie du simple au double entre les tubes 1 à 16 de la nappe extérieure 104 et les tubes 32 à 44 de la nappe intérieure 106. A noter que le photobioréacteur peut éventuellement comprendre plusieurs pompes, si nécessaire.
Chaque tube incorpore deux déflecteurs hélicoïdaux 50 (en forme d'hélice à pales ou, selon une variante non représentée, en forme de vis), l'un situé à l'entrée du tube et l'autre situé à sa sortie. Les déflecteurs peuvent en variante être incorporés dans les coudes de liaison. La forme (angle d'attaque, pas, longueur, diamètre, bord arrondi...) et le matériau constitutif des déflecteurs sont choisis de façon à ne pas blesser les microorganismes. Ces déflecteurs favorisent le brassage du milieu de culture.
De préférence, le photobioréacteur comprend également un réservoir tampon en sortie, agencé de façon à recevoir le milieu de culture sortant du tube 16. Le volume de ce réservoir tampon peut être de l'ordre de 1000 litres. Il est de préférence situé à la même hauteur que la sortie du tube 16 afin d'éviter toute perte de charge qui serait liée à la dénivellation. Ce réservoir tampon peut également servir de réservoir de dérivation pour relier deux photobioréacteurs entre eux, en série ou en parallèle. Dans sa partie haute, le réservoir tampon est avantageusement muni d'une membrane perméable à l'oxygène et imperméable au dioxyde de carbone. Le cas échéant, si nécessaire, une pompe peut aussi ou alternativement être prévue pour assurer un vide partiel dans le réservoir tampon afin d'évacuer l'oxygène dégagé par les microorganismes.
Un tel photobioréacteur est destiné à être installé de sorte que la direction normale N coïncide sensiblement avec la direction du zénith et que les tubes 1 à 44 s'étendent selon des directions (horizontales) nord-sud, afin de capter un maximum d'énergie lumineuse tout au long de la course du soleil. Il est aussi possible d'incliner légèrement le photobioréacteur de façon à ce que les rayons lumineux incidents soient orthogonaux aux axes des tubes en milieu de journée (lorsque le soleil est au plus haut). Le photobioréacteur selon l'invention est particulièrement destiné à l'industrie des biocarburants (pour le développement de microalgues riches en lipides) ainsi qu'à l'industrie agroalimentaire et à l'industrie cosmétique et pharmaceutique.
Dans certaines conditions, un éclairage artificiel 51 (figure 2) peut être prévu. Dans la forme de réalisation préférée représentée sur les dessins, c'est-à- dire dans le cas où les nappes de tubes sont des nappes circulaires concentriques, l'éclairage prend avantageusement place au centre de ces nappes. Cet éclairage artificiel 51 s'étend de préférence parallèlement aux tubes du photobioréacteur pour un meilleur éclairage desdits tubes. Cet éclairage artificiel 51 est dans ce cas un éclairage centrifuge qui vient éclairer de manière substantielle les zones les moins bien éclairées. Cet éclairage artificiel 51 permet aussi (ou en alternative) de créer sur d'autres zones un concentration de lumière, stimulant ainsi les microorganismes photosynthétiques. Pour la culture d'algues hétérotrophes, c'est-à-dire qui dépendent de substances organiques pour leur croissance et leur alimentation, l'éclairage artificiel 51 peut être aussi utilisé pour interrompre le cycle nocturne et améliorer la fixation des matières organiques en mode hétérotrophe.
Il est également proposé ici une alimentation en énergie de cet éclairage artificiel 51. Le réflecteur 101 , dans une variante de réalisation, est un réflecteur sélectif qui réfléchit la lumière dans la gamme des longueurs d'ondes utilisées par les microorganismes pour réaliser la photosynthèse et qui laisse passer la lumière en dehors de cette gamme de longueurs d'ondes. La lumière traversant alors le réflecteur 101 est alors avantageusement captée par un panneau 52 de capteurs photovoltaïques placés sous le réflecteur 101.
Généralement, la lumière propice aux microorganismes présente une longueur d'onde comprise entre 400 et 700 nm (10"9 m), ce qui correspond à environ 45% de la lumière émise par le soleil. Si le réflecteur est donc transparent pour les ondes lumineuses en dehors de cette plage de longueur d'ondes, c'est donc 55% de l'énergie solaire qui est potentiellement disponible pour le panneau 52 et donc la production d'électricité.
L'énergie ainsi récupérée peut être utilisée directement par l'éclairage artificiel 51 et ainsi éclairer les tubes sous un angle différent de l'angle d'éclairage direct du soleil ou réfléchi par le réflecteur 101. Une variante de réalisation peut également prévoir un stockage de l'énergie récupérée par le panneau 52, dans un accumulateur (non représenté) et être alors utilisée à volonté pour l'éclairage des tubes.
Pour mieux maîtriser la température dans le photobioréacteur, il est proposé de lui associer une, de préférence plusieurs, bâche(s).
Il se peut par exemple que la température nocturne, ou même la température diurne certains jours d'hiver, soit trop basse pour les microorganismes. Dans ce cas, la bâche utilisée est par exemple réalisée dans une matière synthétique transparente laissant passer les rayons lumineux utiles à la photosynthèse et possédant en outre un pouvoir calorifique et isolant.
Pour limiter les déperditions de température lors des nuits fraîches, ou froides, une bâche épaisse et sombre peut être envisagée.
Il est possible aussi de recouvrir le photobioréacteur de deux bâches.
Par exemple en hiver, le photobioréacteur peut être recouvert dans la journée par une bâche réalisée dans un film transparent (type serre) pour maintenir la température à l'intérieur du système et la nuit, cette bâche peut être doublée par une bâche plus épaisse.
Par contre, pour les jours où la température est trop élevée, un système de ventilation peut être utilisé pour la régulation de la température. Dans la variante de réalisation avec un panneau 52 de capteurs photovoltaïques, le système de ventilation peut aussi être alimenté en énergie électrique directement par le panneau 52 ou par l'intermédiaire d'accumulateurs.
Le photobioréacteur est aussi de préférence protégé contre les UV (ultraviolets). Une première protection peut être obtenue par le choix des matériaux pour la réalisation des tubes. Une seconde protection proposée ici est de protéger le photobioréacteur par une bâche transparente à antireflet UV, cette bâche étant par exemple disposée en arc de cercle sur le photobioréacteur en suivant la rotation du soleil. L'invention peut faire l'objet de nombreuses variantes par rapport au mode de réalisation illustré, dès lors que ces variantes entrent dans le cadre délimité par les revendications.
Par exemple, la nappe extérieure 104 pourrait comprendre dix-sept tubes (de 34 cm de diamètre) et présenter un rayon de 192 cm. En variante, le photobioréacteur pourrait présenter les caractéristiques suivantes :
- une première nappe cylindrique de section circulaire et de rayon de l'ordre de 200 cm, cette nappe comportant vingt-cinq tubes de 22 cm de diamètre interne ; - une deuxième nappe cylindrique de section circulaire et de rayon de l'ordre de 160 cm, cette nappe comportant vingt-cinq tubes de 18 cm de diamètre interne ;
- une troisième nappe cylindrique de section circulaire et de rayon de l'ordre de 124 cm, cette nappe comportant vingt-cinq tubes de 14 cm de diamètre interne ;
- une quatrième nappe cylindrique de section circulaire et de rayon de l'ordre de 92 cm, cette nappe comportant vingt et un tubes de 12 cm de diamètre interne.
Ce mode de réalisation offre 301 m2 de surface éclairée et occupe une surface au sol de 35 m2, soit un coefficient multiplicateur de 8,62, pour un volume de milieu de culture de 13 250 litres (si la longueur des tubes est de 6 m).
Dans des régions de fort ensoleillement, il peut être opportun de prévoir cinq nappes concentriques, de 92 cm à 225 cm de rayon, avec des tubes de 11 cm à 24 cm de diamètre. De façon générale, l'invention n'est pas limitée au nombre de nappes, rayons des nappes, nombre de tubes, diamètres et longueur des tubes décrits et illustrés.
Les diverses dimensions caractéristiques du photobioréacteur doivent être choisies notamment en fonction de l'ensoleillement du lieu d'installation du photobioréacteur et de la variété de microorganismes cultivée.
L'invention n'est pas non plus limitée à des nappes de section circulaire. Elle s'étend par exemple à des nappes planes.

Claims

REVENDICATIONS
1. Photobioréacteur comprenant une pluralité de tubes de réaction, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un réflecteur (101 ) agencé d'un côté du photobioréacteur et en ce que les tubes sont agencés selon une pluralité de nappes (104-106) qui se succèdent selon une direction normale (N) au réflecteur prise en une région centrale de celui-ci, chaque nappe (104, 105, 106) comportant plusieurs tubes (1-16, 17-31 , 32-44).
2. Photobioréacteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que tous les tubes (1-44) sont rectilignes et s'étendent selon une direction orthogonale à la direction normale (N) au réflecteur.
3. Photobioréacteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le réflecteur (101) est cylindrique de section en arc de cercle ou ovale et en ce que les tubes (1-44) s'étendant parallèlement à la génératrice du réflecteur.
4. Photobioréacteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les nappes (104-106) sont cylindriques, de section circulaire ou ovale, et concentriques.
5. Photobioréacteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les tubes (1-16 ; 17-31 ; 32-44) d'une même nappe (104 ; 105 ; 106) présentent des diamètres identiques, et en ce que le diamètre des tubes diminue d'une nappe à la suivante depuis la périphérie vers le centre du photobioréacteur.
6. Photobioréacteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le diamètre et le nombre de tubes (1-16, 17-31, 32-44) pour chaque nappe (104-106) sont choisis de façon à ce que les tubes occupent entre 35% et 50% de la surface de la nappe.
7. Photobioréacteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un déflecteur (50) pour chaque tube (1-44).
8. Photobioréacteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que tous les tubes (1-44) sont reliés en série les uns aux autres.
9. Photobioréacteur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que des coudes de liaison (45-49) sont disposés entre les tubes et de façon à ce qu'au plus trois tubes d'une même nappe soient consécutifs.
10. Photobioréacteur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend : - une nappe extérieure (104) cylindrique de section circulaire et de rayon (R1 ) de l'ordre de 182 cm, cette nappe comportant seize tubes (1-16) présentant tous un diamètre interne de l'ordre de 34 cm ;
- une nappe intermédiaire (105) cylindrique de section circulaire et de rayon (R2) de l'ordre de 142 cm, cette nappe comportant quinze tubes (17- 31 ) présentant tous un diamètre interne de l'ordre de 28 cm ;
- une nappe intérieure (106) cylindrique de section circulaire et de rayon (R3) de l'ordre de 92 cm, cette nappe comportant treize tubes (32-44) présentant tous un diamètre interne de l'ordre de 22 cm.
11. Photobioréacteur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'au moins certains tubes sont équipés chacun d'au moins un diffuseur permettant d'introduire des produits à l'intérieur desdits tubes du photobioréacteur.
12. Photobioréacteur selon l'une des revendications 1 à 11 , caractérisé en ce qu'il comprend au moins un éclairage artificiel (51 ) permettant l'éclairage des tubes de réaction.
13. Photobioréacteur selon les revendications 4 et 12, caractérisé en ce qu'il comprend un éclairage artificiel (51 ) placé au centre des nappes.
14. Photobioréacteur selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le réflecteur (101 ) est un réflecteur à longueurs d'onde sélectif, c'est-à-dire réfléchissant la lumière dans une gamme de longueurs d'ondes et laissant passer la lumière en dehors de ladite gamme de longueur d'ondes, et en ce que le photobioréacteur comporte en outre au moins un capteur photovoltaïque (52) disposé sous le réflecteur (101).
15. Photobioréacteur selon les revendications 12 et 14, caractérisé en ce que les capteurs photovoltaïques (52) sont utilisés pour l'alimentation en énergie de l'éclairage artificiel (51 ).
16. Photoréacteur selon l'une des revendicatons 1 à 15, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une bâche de protection.
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8323958B2 (en) 2006-11-02 2012-12-04 Algenol Biofuels Switzerland GmbH Closed photobioreactor system for continued daily in situ production of ethanol from genetically enhanced photosynthetic organisms with means for separation and removal of ethanol
EP2505633A1 (fr) 2011-03-29 2012-10-03 Algae Health Culture d'organismes
ES2404454B1 (es) * 2011-10-21 2014-08-04 Iberdrola Ingeniería Y Construcción, S.A.U. Dispositivo de intensificación de radiación solar para fotobiorreactores, fotobiorreactor que incorpora dicho dispositivo y método de montaje de dicho dispositivo en un fotobiorreactor
WO2014130362A1 (fr) * 2013-02-25 2014-08-28 Heliae Development, Llc Systèmes et procédés pour optimisation continue d'un profil de culture de micro-organismes
JP6461015B2 (ja) * 2013-02-26 2019-01-30 ヒリエ デベロップメント， エルエルシー モジュール式管状バイオリアクタ
EA029642B1 (ru) * 2014-04-08 2018-04-30 Владимир Николаевич Карпуша Установка для выращивания микроводорослей
KR101654593B1 (ko) * 2014-04-18 2016-09-06 인하대학교 산학협력단 환경수의 추가적인 공급에 의한 광합성 미세조류의 대량 배양방법
WO2016013025A2 (fr) * 2014-07-25 2016-01-28 Kumar Prakash Tarun Conception d'un photobioréacteur permettant la production d'un biodiesel à base d'algues peu coûteux
CN104789447A (zh) * 2015-04-16 2015-07-22 杭州富阳光速方舟照明科技有限公司 一种节能的微藻养殖装置
CN106906116B (zh) * 2015-12-22 2020-04-14 国投生物科技投资有限公司 管排式光生物反应器的清洁装置及光生物反应器

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE29707043U1 (de) * 1997-04-18 1997-12-11 Umweltschutz Nord GmbH & Co, 27777 Ganderkesee Photobioreaktor
ITMI981149A1 (it) * 1998-05-22 1999-11-22 Microalgae Spa Produzione colturale asp di micro-organismi ad alto contenuto di proteine vitamine pigmenti
ITFI20030047A1 (it) * 2003-02-24 2004-08-25 Univ Firenze Reattore per la coltura industriale di microrganismi fotosintetici
US20070155006A1 (en) * 2005-12-30 2007-07-05 Alexander Levin Photobioreactor
WO2009018498A2 (fr) * 2007-08-01 2009-02-05 Bionavitas, Inc. Systèmes, dispositifs d'éclairage et procédés de production de biomasse
WO2009037683A1 (fr) * 2007-09-17 2009-03-26 Seamus Devlin Système et appareil pour la croissance de cultures

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2010142870A2 *

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