EP2640495A1 - Procédé intégré de production de calcite et de biomasse par des cyanobactéries pour la valorisation énergétique et la séquestration minérale de c02 - Google Patents

Procédé intégré de production de calcite et de biomasse par des cyanobactéries pour la valorisation énergétique et la séquestration minérale de c02

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EP2640495A1
EP2640495A1 EP11785045.3A EP11785045A EP2640495A1 EP 2640495 A1 EP2640495 A1 EP 2640495A1 EP 11785045 A EP11785045 A EP 11785045A EP 2640495 A1 EP2640495 A1 EP 2640495A1
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EP
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biomass
carbonate
calcium
cyanobacteria
concentration
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Withdrawn
Application number
EP11785045.3A
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English (en)
Inventor
Denis Blanchet
Frank Haeseler
Lun Li
Gilles Dromart
Philippe Oger
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B01D53/84—Biological processes
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    • B01D53/46—Removing components of defined structure
    • B01D53/62—Carbon oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
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    • Y02P20/59—Biological synthesis; Biological purification

Definitions

  • the invention relates to the field of sequestering carbon dioxide (C0 2 ), in particular the biological uptake of C0 2 by means of bacteria, of the cyanobacterial type.
  • the invention is also relevant to the field of energy recovery, in particular the valorization of biomass.
  • phytoplankton is at the origin of the primary production. It contributes, at the level of the oceans, to the consumption of C0 2 by means of photosynthesis on the species hydrogénocarbonate.
  • Cyanobacteria that are prokaryotes are one of the biological components of this phytoplankton. Cyanobacteria use marine bicarbonate ion HC0 3 "as the inorganic carbon species, and not the dissolved C0 2. Indeed in seawater, the concentration of dissolved C0 2 is small compared to the hydrogen ion. The other mineral carbon species in this marine environment, carbonate, is not used by phytoplankton microorganisms as a carbon source, via photosynthesis.
  • Unicellular cyanobacterial prokaryotic organisms and also certain eukaryotic organisms, are capable of producing photosynthesis on the hydrogencarbonate ion, not only of biomass, but also of calcium carbonate (called calcite) when calcium is present. in the middle, and that the growing conditions are adapted.
  • calcite calcium carbonate
  • biomass which consists of carbon, oxygen, nitrogen, hydrogen and sulfur (CONHS) elements
  • CONHS carbon, oxygen, nitrogen, hydrogen and sulfur
  • the valorization of biomass, in particular algae can be carried out using lipids, in particular for the production of fatty acid methyl esters used as biofuels, in addition for example in petroleum distillate "diesel".
  • This valorisation of lipids requires the use of micro-algae selected for their high lipid content.
  • Cyanobacteria are not known to produce significant amounts of lipids and are therefore of little interest for the production of biofuels.
  • some of these strains are known to use atmospheric nitrogen (N 2 ) as a nitrogen source for biomass synthesis.
  • cyanobacteria can produce a biomass that can be used for hydrogen production.
  • Cyanobacteria are indeed mentioned in the literature for their properties to divert the flow of electrons from the two stages of photosynthesis for the production of hydrogen.
  • Several pathways have been identified, including one using dehydrogenase of the strain, but many problems remain to be solved.
  • Cyanobacteria because of their low lipid content, are not interesting for biofuel production, but can be used for the production of biomass by culture in an aqueous medium in a carbonate system and for the subsequent methanation of this biomass grown on hydrogencarbonate . Laboratory studies show that at the end of the reaction, when the hydrogencarbonate ion is completely consumed, a lysis process occurs rapidly, which positions the biomass of cyanobacteria in a digestibility situation more favorable than the biomass from microalgae.
  • this biomass also has the advantage of being able to be used directly as a fertilizer given its nitrogen content.
  • the method according to the invention uses the cyanobacteria culture and makes it possible to solve all the problems mentioned for the valorization of the biomass, in that it proposes at the same time corrections relating to the conduct of the processes of production of biomass resulting to manage the distribution within the algal biomass between proteins, lipids and sugars, but also enzymatic and physical pretreatments to improve the "digestibility” or “biodegradability" of these structures present in the wall and the membrane.
  • the cyanobacteria culture carried out under optimized conditions on a carbonate system in the presence of calcium makes it possible, by consumption of the hydrogencarbonate ion, to produce two products, a first one in the form of a biomass of cyanobacteria easily recoverable, a second in the form of calcite (calcium carbonate CaCO3) which constitutes a carbon trap.
  • calcite calcium carbonate
  • the invention relates to a process for the biological capture of C0 2 by producing biomass and calcite by means of cyanobacteria, in which the cyanobacteria culture is carried out on a carbonate system (comprising carbon ions C0 3 2 - and hydrogen carbonate ions HC0 3 " ), in the presence of calcium, with a pH regulation by controlled injection of C0 2 .
  • the invention also relates to the use of the biomass obtained by the process as a fertilizer or for energy purposes.
  • the present invention relates to an integrated method for biological capture of C0 2 using cyanobacteria comprising the following steps:
  • cyanobacterial photosynthesis is carried out on the hydrogencarbonate ions to produce a cyanobacterial biomass composed of carbon, oxygen, nitrogen, hydrogen and sulfur elements and to precipitate calcium carbonate (CaCO 3);
  • c) inorganic carbon is supplied by injecting CO 2 to regulate the pH during the photosynthesis reaction.
  • the CO 2 can be atmospheric and the cyanobacteria can be grown in at least one open reactor.
  • At least part of the injected CO 2 can be derived from industrial fumes / discharges.
  • Steps a), b), c) can be repeated until the calcium in the medium is depleted.
  • the pH can be regulated to a value between 9 and 10.
  • the culture medium may be a synthetic aqueous medium containing calcium and a carbonate system, or a marine environment.
  • Nitrogen in the medium can be supplied as nitrate ions.
  • the nitrate ions may be calcium nitrate.
  • the cyanobacterial culture can be carried out under continuous, semi-continuous or batch conditions.
  • a methanization step of the cyanobacterial biomass can be carried out to transform the biomass into methane.
  • the methanation step can be carried out by injecting the biomass into an anaerobic digester during the night phase.
  • the biomass methanation step can be carried out directly after the production step.
  • the biomass can be separated from the water from the environment for thermal recovery.
  • Biomass can be valorised by direct combustion and heat recovery, or by pyrolysis to generate an oil.
  • the biomass obtained can be used as a source of energy.
  • the biomass obtained can be used as a fertilizer.
  • the process can be used for the production of calcite (CaCO 3) and mineral sequestration of CO 2.
  • FIGS 1 to 8 illustrate the various aspects of the invention without limitation.
  • FIG. 1 represents the evolution of the biomass concentrations and of the following species: calcium, C0 3 2 " , HCO 3 " , as well as the evolution of the pH during the assimilation of hydrogen carbonate by cyanobacteria, in batch, in the absence of calcium, and without inorganic carbon contribution during the culture.
  • FIGS. 2a and 2b show the evolution of the biomass concentrations, and of the following species: calcium, C0 3 2 " , HCO 3 " , as well as the evolution of the pH during the assimilation of the hydrogencarbonate by cyanobacteria, batchwise in the presence of calcium ( Figure 2a: the hydrogencarbonate is present in a large excess compared to calcium, Figure 2b: the calcium is present in a large excess relative to the hydrogencarbonate). In this case also the culture is done without input of inorganic carbon.
  • FIG. 3 shows the assimilation of hydrogen carbonate for an initial composition of calcium, CO 3 2 " , HC0 3 " representative of that of seawater.
  • FIG. 5 shows the evolution of carbonate and hydrogen carbonate concentrations as a function of the carbon synthesized in the biomass (comparison between the experimental values and the theoretical values of hydrogen carbonate and carbonate concentrations).
  • FIG. 6 shows the evolution of the C02 consumptions as a function of the carbon synthesized in the biomass (comparison between the experimental values and the theoretical values of C02 injected).
  • FIG. 7 represents the data of tests A and B.
  • FIG. 8 illustrates a device for producing biomass and calcite integrated in an energy recovery process.
  • the process according to the invention is an integrated process for the biological capture of CO2 using cyanobacteria comprising the following steps:
  • the pH of the culture is regulated by controlled injection of C0 2 according to the production of biomass and precipitation events.
  • Figure 1 shows the evolution of the main parameters (pH, concentration of biomass, calcium, C0 3 2 " and HCO 3 " ) during the assimilation of hydrogen carbonate by a culture of cyanobacteria, in a culture in batch, that is to say in a closed environment, that is to say without additional inorganic carbon, and in the absence of calcium.
  • An assimilation of the hydrogencarbonate with a production of biomass and carbonate is observed.
  • the pH profile reflects an alkalization of the medium through the carbonate system revolution (decrease of the concentration of the hydrogencarbonate and increase of the carbonate concentration).
  • the pH profile also highlights day and night phase alternations, with photosynthesis activity during the day phase and a breathing phase during the night phase.
  • An assessment shows that for two hydrogenocarbonate ions consumed, a carbon from the hydrogencarbonate is distributed in the biomass and another carbon from the hydrogencarbonate is converted into carbonate.
  • Figures 2a and 2b show the evolution of these same parameters when the assimilation of the hydrogencarbonate is conducted in the presence of calcium.
  • the carbon and calcium balances at the end of the total consumption of the hydrogencarbonate show that the calcium is completely engaged in calcium carbonate.
  • the carbonate produced by the photosynthetic assimilation of the totality of the hydrogencarbonate represents half of the carbon resulting from the hydrogen carbonate and is distributed between the carbonate ion and the calcium carbonate. Residual carbonate remains.
  • a source of hydrogen carbonate that can be used in large quantities is seawater.
  • the hydrogencarbonate ion is preponderant compared to the dissolved CO 2 .
  • the calcium concentration of seawater is 10.3 mM and is therefore much higher than that of the two carbonate species, the hydrogencarbonate ion (of the order of 5.6 times) and the carbonate ion (of the order of 38 times).
  • cyanobacteria with a carbonate system behaves like a culture of cyanobacteria in batch culture on hydrogencarbonate, without additional inorganic carbon input (results shown in Figures 1 to 3). Under these conditions the growth of medium with a carbonate system will result in an imbalance of the carbonate system (alkalization) generated by modification of the hydrogen carbonate / carbonate ratio.
  • Changing the conduct of the culture of cyanobacteria compared to an assimilation of hydrogen carbonate in batch at unregulated pH consists in maintaining this ratio at its initial value, that is to say to maintain the constant pH by injection of C0 2 .
  • the pH value reflects a ratio between the concentrations of the two carbonate and hydrogencarbonate species.
  • the instantaneous biological demand (mineral carbon demand for growth) that varies with the increase in cell concentration in the reactor is ensured by the injection of C0 2 controlled by the pH regulation.
  • Optimal culture pHs were determined for optimizing biomass productivity. These optimal pH correspond to the minimum time of doubling of the cyanobacterium biomass. These pHs are between 9 and 10.
  • a high (optimum) pH means a carbonate concentration higher than that of the hydrogencarbonate (see carbonate / hydrogen carbonate ratio> 1) and contributes to an increase in the efficiency of the C0 2 capture introduced into the carbonate system.
  • Biomass production is accompanied by a demand for other elements such as nitrogen and phosphorus to name only the two most important for biomass.
  • the most important element after carbon is nitrogen.
  • the addition of nitrogen in the form of nitrate (N0 3 ) contributes to the assimilation of nitrogen within the biomass and to a production of hydroxyl in the medium.
  • the nitrogen gas associated with the supply of C0 2 is not used by the cyanobacteria at a rate sufficient to ensure the growth rates required for the process.
  • y N / C which represents a constant for a strain of cyanobacteria under well defined culture conditions without limitation of the nitrogen source;
  • Figure 5 shows experimental values and calculated values of hydrogen carbonate and carbonate concentrations as a function of the synthesized biomass C.
  • Figure 6 shows the experimental values and the calculated values of C0 2 injected as a function of the synthesized biomass C.
  • the amount of C0 2 injected will be 113.7 mmol / I of culture medium.
  • These 13.7 moles / l of culture medium represent the CO 2 injected (113.7-100) with the carbonate system (and which is distributed between the hydrogencarbonate and the carbonate) as a result of the incorporation of nitrogen into the biomass, as long as the nitrogen supply is in the form of nitrate (N0 3 ⁇ ).
  • the nitrogen source is brought in the form of ammonium, it is observed at the level of revolution of the pH a reverse situation with an acidification by H + (1 H + for 1 mole of N incorporated into the biomass).
  • the system can not function sustainably for biomass production according to this procedure.
  • the respective concentrations of the two species are then very rapidly reduced, and the system is no longer functional.
  • This situation is not favorable for optimum process control, and it is preferable to supply the nitrogen in the form of nitrate.
  • precipitation of calcium carbonate can not be done in batches when seawater is taken with a composition of 1818 ⁇ l of hydrogencarbonate and 272 ⁇ l of carbonate and 10300 ⁇ l of calcium. without adding inorganic carbon (C0 2 or HC0 3 ' ).
  • the occurrence of the first precipitation event requires that the concentration of calcium or that of carbonate (from hydrogencarbonate) be increased.
  • the process according to the invention proposes a modification of the conduct of the cyanobacterial culture process for the production of calcium carbonate.
  • the process according to the invention uses a culture of cyanobacteria on a carbonated aqueous medium (seawater or fresh water), in the presence of calcium, in which the pH is controlled by CO 2 injection.
  • This culture method makes it possible to produce carbonate ions by photosynthesis from hydrogen carbonate ions, in order to obtain both a valuable biomass of cyanobacteria and a precipitation of calcium carbonate (CaCO 3) by reacting the carbonate in the presence of calcium.
  • the growth of the cyanobacterial biomass is carried out on the hydrogencarbonate without the pH regulation being operational. Under these conditions the respective concentrations of hydrogen carbonate and carbonate will change (basification by consumption of hydrogen carbonate and production of carbonate). For example, in the case of a control pH of 9.5, with a concentration ratio between the two species of about 1/1, a concentration of about 780 ⁇ is obtained for each of these two species. moment of commissioning of the regulation.
  • Biomass production (C biomass) is of the order of 515 ⁇ .
  • the mineral carbon consumption for the production of biomass and calcium carbonate is then done by injecting C0 2 .
  • the precipitation of CaCO 3 can not take place in the presence of a final concentration of 1118 ⁇ l of carbonate, if a batch hydrogen carbonate is used from seawater.
  • the precipitation of CaCO 3 can take place in the carbonate system procedure with a CO 2 injection regulation (process according to the invention). Indeed, when the pH regulation is initiated, the amount of biomass (or concentration) present (about 515 ⁇ of biomass C) increases further during the time when the carbonate concentration drifts from 780 ⁇ to 1100 ⁇ . The increase in the biomass concentration for this value of 1100 ⁇ of carbonate can be calculated by the equations proposed above.
  • the pH regulation is restarted again for a concentration of hydrogencarbonate again equal to that of carbonate, namely of the order of 530 ⁇ , taking into account the distribution of carbon ex hydrogen carbonate consumed, distributed between 1C biomass and 1C carbonate.
  • the mineral carbon consumption is carried out as soon as the C0 2 injection regulation is reactivated.
  • the valorization of the biomass obtained can be direct. Due to its nitrogen content, the cyanobacteria biomass obtained by the process according to the invention can be used directly as a fertilizer.
  • the biomass of cyanobacteria is probably not suitable for valorization in the form of methyl esters of fatty acids.
  • the recovery of this biomass and its heat treatment by pyrolysis may also make it possible to obtain an oil constituting a raw material for a gasification with a Fischer Tropsch synthesis.
  • This thermal recovery can be conducted by direct combustion and heat recovery, or by pyrolysis to generate an oil.
  • the oil produced in this case can be used as a raw material for chemical syntheses for example, or valued as a source of thermal energy or in combustion engines, or as a raw material for gasification.
  • Methanogenesis can be carried out in any suitable reactor of the anaerobic digester type.
  • the anaerobic digester is methanized by injection of biomass during the night phase, when the culture medium has been made anaerobic by the current breathing process.
  • Biomass separated from water can be used for thermal energy recovery.
  • a known elemental biomass composition in terms of C, O, N, H, S
  • C0 2 and methane are partly a function of the wall / membrane composition and the protein content of the microorganism (there is indeed a possibility of inhibition of methanogenesis by high levels of ammonium).
  • the production of CH 4 and C0 2 can be estimated by the following formula (which also does not take into account the needs for maintenance energy and anabolism).
  • composition of the cyanobacterium biomass obtained in a culture under C0 2 injection at a pH regulated at 9.5, and without limitation of nitrogen is as follows (the elemental composition of the biomass is reported at 100):
  • a culture of cyanobacteria on a carbonate system with regulated pH and C0 2 injection is carried out batchwise (closed medium, continuous culture) in a marine environment, in seawater having as starting composition 1818 ⁇ l of hydrogencarbonate, 272 ⁇ l. of carbonate and 10300 ⁇ of calcium.
  • the pH is regulated around 9.5 to 10.
  • Table 1 C02 consumption, biomass production, CaCO3 production, for each phase of controlled pH control by CO 2 injection. (for a volume of 1 L of marine environment).
  • Table 2 Cumulative C02 consumption, cumulative biomass production, CaCO3 production, for each CO2-controlled pH control phase. (for a volume of 1 L of marine environment) The concentrations of hydrogen carbonate and carbonate at the end of each precipitation step are respectively of the order of 1000 ⁇ and 300 ⁇ .
  • the process time is about 1 week.
  • nitrate preferably calcium nitrate
  • the annualized balance sheet for an installation volume of 5000 m 3 , ie one hectare with 50 cm of water of water depth is:
  • This speed of consumption of hydrogen carbonate results in a final biomass concentration of 588 mg / L, an OD of 2.8 and a population of the order of 9.4 ⁇ 10 8 .
  • the photo limitation can contribute to decrease the progression of the increase of the concentration of biomass towards an asymptote.
  • photo limiting tends to limit the maximum concentration of biomass with which one can complete a production cycle (over a week). In a process line, this concentration value must not be exceeded.
  • the biomass of cyanobacteria is probably not suitable for valorization in the form of methyl esters of fatty acids.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de captation biologique du C02 comprenant la mise en œuvre d'une réaction de photosynthèse par des cyanobactéries sur les ions hydrogénocarbonates d'un système carbonate comprenant du calcium, permettant la production de biomasse et calcite (CaC03). L'invention permet une valorisation énergétique et la séquestration minérale du C02.

Description

L'invention concerne le domaine de la séquestration du dioxyde de carbone (C02), notamment la captation biologique du C02 au moyen de bactéries, de type cyanobactéries.
L'invention intéresse également le domaine de la valorisation énergétique, notamment la valorisation de la biomasse.
Au niveau de la planète, le phytoplancton est à l'origine de la production primaire. Il contribue, au niveau des océans, à la consommation du C02 par le biais de la photosynthèse sur l'espèce hydrogénocarbonate.
Les cyanobactéries qui sont des procaryotes (êtres vivants unicellulaires dont la structure cellulaire ne comporte pas de noyau) constituent une des composantes biologiques de ce phytoplancton. Les cyanobactéries utilisent en milieu marin l'ion hydrogénocarbonate HC03 " comme espèce carbonée minérale, et non le C02 dissous. En effet dans l'eau de mer, la concentration de C02 dissous est faible par rapport à l'ion hydrogénocarbonate. L'autre espèce carbonée minérale de ce milieu marin, le carbonate, n'est pas utilisée par les microorganismes phytoplanctoniques comme source de carbone, via la photosynthèse.
Les organismes procaryotiques unicellulaires de type cyanobactéries, et aussi certains organismes eucaryotes, sont capables de produire par photosynthèse sur l'ion hydrogénocarbonate, non seulement de la biomasse, mais aussi du carbonate de calcium, (appelé calcite) dès lors que du calcium est présent dans le milieu, et que les conditions de culture sont adaptées.
Par ailleurs, la biomasse qui est composée des éléments carbone, oxygène, azote, hydrogène et soufre (CONHS) représente une source potentielle de valorisation énergétique. La valorisation de la biomasse, en particulier algaire, peut être effectuée par utilisation des lipides, notamment pour la production d'esters méthyliques d'acide gras utilisés comme biocarburants, en addition par exemple dans le distillât pétrolier "gazole". Cette valorisation de lipides demande d'utiliser des micro-algues sélectionnées pour leurs fortes teneurs en lipides. Les cyanobactéries ne sont pas connues pour produire des quantités significatives de lipides et présentent donc peu d'intérêt pour la production de biocarburants. En revanche, certaines de ces souches sont connues pour utiliser l'azote atmosphérique (N2) comme source d'azote pour la synthèse de biomasse.
Enfin les cyanobactéries peuvent permettre de produire une biomasse valorisable pour la production d'hydrogène. Les cyanobactéries sont en effet mentionnées dans la littérature pour leurs propriétés permettant de dérouter le flux d'électrons provenant des deux étapes de la photosynthèse pour la production d'hydrogène. Plusieurs voies ont été identifiées dont une utilisant par exemple la déshydrogénase de la souche, mais de nombreux problèmes restent à résoudre.
Enfin la valorisation de la biomasse par méthanisation constitue une voie intéressante. La dégradation anaérobie de la biomasse algaire en général a été intensivement étudiée. Elle est considérée comme une voie prometteuse qui a été examinée à la fois sur la biomasse entière et sur la fraction résiduelle dans un schéma d'exploitation des lipides issus de la biomasse. Quant les lipides ne dépassent pas 40% de la composition de la biomasse algaire des microorganismes sélectionnés pour une production de biocarburants, il semblerait que la méthanisation directe de la totalité de la biomasse se révèle plus favorable du point de vue énergétique que la succession des étapes d'extraction des lipides (pour les biocarburants) puis de méthanisation de la biomasse résiduelle.
Par ailleurs la mise en œuvre de cette valorisation par méthanisation de la biomasse algaire pose de nombreux problèmes. Les principaux verrous ont été identifiés. La biodégradabilité de la biomasse algaire dépend de la composition du complexe paroi- membrane de ces micro algues. Par ailleurs, la forte teneur en azote conduit au relargage dans le digesteur de fortes concentrations d'ammoniac qui s'avèrent inhibitrices de la réaction. Enfin la présence de sodium dans le cas de biomasse produite sur des milieux marins (utilisation de souches marines) peut également affecter les performances du processus de méthanisation. Les cyanobactéries, de par leur faible teneur en lipides, ne sont pas intéressantes pour la production de biocarburants, mais peuvent être utilisées pour la production de biomasse par culture en milieu aqueux dans un système carbonate et pour la méthanisation subséquente de cette biomasse cultivée sur hydrogénocarbonate. Des études de laboratoire montrent qu'en fin de réaction, lorsque l'ion hydrogénocarbonate est totalement consommé, un processus de lyse intervient rapidement, ce qui positionne la biomasse de cyanobactéries dans une situation de digestibilité plus favorable que la biomasse issue de micro algues.
Par ailleurs cette biomasse présente également l'avantage de pouvoir être utilisée directement comme fertilisant compte tenu de sa teneur en azote.
Le procédé selon l'invention utilise la culture de cyanobactéries et permet de résoudre l'ensemble des problèmes évoqués pour la valorisation de la biomasse, en ce qu'il propose à la fois des corrections portant sur la conduite des procédés de production de biomasse aboutissant à gérer la répartition au sein de la biomasse algaire entre les protéines, les lipides et les sucres, mais aussi des prétraitements enzymatiques et physiques pour améliorer la "digestibilité" ou la "biodégradabilité" de ces structures présentes dans la paroi et la membrane. Ainsi, de manière surprenante, il est apparu que la culture de cyanobactéries menée dans des conditions optimisées sur un système carbonate en présence de calcium permet par consommation de l'ion hydrogénocarbonate de fournir deux produits, un premier sous la forme d'une biomasse de cyanobactéries facilement valorisable, un second sous la forme de calcite (carbonate de calcium CaC03) qui constitue un piège de carbone. La valorisation de ces deux produits : biomasse et carbonate de calcium peut être effectuée de différentes manières.
Objets de l'invention
L'invention concerne un procédé de captation biologique du C02 par production de biomasse et de calcite au moyen de cyanobactéries, dans lequel la culture de cyanobactéries est menée sur un système carbonate (comprenant des ions carbonates C03 2"et des ions hydrogénocarbonates HC03 "), en présence de calcium, avec une régulation de pH par injection contrôlée de C02. L'invention concerne également l'utilisation de la biomasse obtenue par le procédé comme fertilisant ou à des fins énergétiques.
Résumé de l'invention
La présente invention concerne un procédé intégré de captation biologique du C02 au moyen de cyanobactéries comprenant les étapes suivantes :
a) on cultive des cyanobactéries en présence de calcium dans un milieu aqueux comprenant des ions carbonate et des ions hydrogénocarbonate;
b) on effectue une photosynthèse par les cyanobactéries sur les ions hydrogénocarbonate pour produire une biomasse de cyanobactéries composée des éléments carbone, oxygène, azote, hydrogène et soufre et provoquer la précipitation de carbonate de calcium (CaC03);
c) on apporte du carbone inorganique en injectant du C02 pour réguler le pH au cours de la réaction de photosynthèse.
Le C02 peut être atmosphérique et on peut cultiver les cyanobactéries dans au moins un réacteur ouvert.
Au moins une partie du C02 injecté peut être issue de fumées/rejets industriels.
On peut répéter les étapes a), b), c) jusqu'à épuisement du calcium du milieu.
Le pH peut être régulé à une valeur comprise entre 9 et 10.
Le milieu de culture peut être un milieu aqueux synthétique contenant du calcium et un système carbonate, ou un milieu marin.
On peut apporter de l'azote dans le milieu sous forme d'ions nitrate.
Les ions nitrate peuvent être du nitrate de calcium.
La culture de cyanobactéries peut être réalisée dans des conditions continues, ou semi- continues ou batch.
On peut effectuer une étape de méthanisation de la biomasse de cyanobactéries pour transformer la biomasse en méthane.
On peut effectuer l'étape de méthanisation par injection de la biomasse dans un digesteur anaérobie au cours de la phase nocturne.
L'étape de méthanisation de la biomasse peut être effectuée directement après l'étape de production. On peut séparer la biomasse de l'eau du milieu pour la valoriser par voie thermique.
On peut valoriser la biomasse par combustion directe et récupération de chaleur, ou par pyrolyse pour générer une huile.
On peut utiliser la biomasse obtenue comme source d'énergie.
On peut utiliser la biomasse obtenue comme fertilisant.
Le procédé peut être utilisé pour la production de calcite (CaC03) et fa séquestration minérale du C02.
Les figures 1 à 8 illustrent les différents aspects de l'invention à titre non limitatif.
- La figure 1 représente l'évolution des concentrations en biomasse et des espèces suivantes : calcium, C03 2", HC03 ", ainsi que l'évolution du pH au cours de l'assimilation de l'hydrogénocarbonate par des cyanobactéries, en batch, en absence de calcium, et sans apport de carbone inorganique durant la culture.
- Les figures 2a et 2b représentent l'évolution des concentrations en biomasse, et des espèces suivantes : calcium, C03 2", HC03 ", ainsi que l'évolution du pH au cours de l'assimilation de l'hydrogénocarbonate par des cyanobactéries, en batch en présence de calcium (figure 2a : l'hydrogénocarbonate est présent en fort excès par rapport au calcium ; figure 2b : le calcium est présent en fort excès par rapport à l'hydrogénocarbonate). Dans ce cas également la culture se fait sans apport de carbone inorganique.
- La figure 3 montre l'assimilation de l'hydrogénocarbonate pour une composition initiale en calcium, C03 2", HC03 " représentative de celle de l'eau de mer.
- La figure 4 met en évidence le rôle de navette du couple carbonate/hydrogénocarbonate en milieu marin.
- La figure 5 montre l'évolution des concentrations de carbonate et d'hydrogénocarbonate en fonction du carbone synthétisé dans la biomasse (comparaison entre les valeurs expérimentales et les valeurs théoriques de concentrations d'hydrogénocarbonate et de carbonate).
- La figure 6 montre l'évolution des consommations de C02 en fonction du carbone synthétisé dans la biomasse (comparaison entre les valeurs expérimentales et les valeurs théoriques de C02 injectées).
- La figure 7 représente les données des essais A et B. - La figure 8 illustre un dispositif de production de biomasse et de calcite intégré à un procédé de valorisation énergétique.
Le procédé selon l'invention est un procédé intégré de captation biologique du C02 au moyen de cyanobactéries comprenant les étapes suivantes :
- culture de cyanobactéries en milieu aqueux ouvert ou fermé, en présence de calcium sur un système carbonate (comprenant des ions hydrogénocarbonate et des ions carbonate);
- production d'une biomasse de cyanobactéries composée des éléments carbone, oxygène, azote, hydrogène et soufre par photosynthèse sur l'ion hydrogénocarbonate - précipitation associée de carbonate de calcium (ou calcite ou CaC03),
- on régule le pH de la culture par injection contrôlée de C02 au gré de la production de biomasse et des événements de précipitation.
Afin de permettre la compréhension des phénomènes mis en jeu dans le procédé selon l'invention, le fonctionnement d'une culture de cyanobactéries sur un système aqueux comprenant des ions hydrogénocarbonate et éventuellement des ions carbonate dans différentes conditions, ainsi que les flux des différentes espèces sont décrits dans les paragraphes ci-dessous (relatifs aux figures 1 à 8).
Assimilation de l'hydrogénocarbonate par les cyanobactéries dans une culture en batch et production de carbonate de calcium
En absence de calcium:
La figure 1 montre l'évolution des principaux paramètres (pH, concentration en biomasse, en calcium, en C03 2" et en HC03 ") au cours de l'assimilation de l'hydrogénocarbonate par une culture de cyanobactéries, dans une culture en batch, c'est-à-dire en milieu fermé, c'est à dire sans apport de carbone inorganique supplémentaire, et en absence de calcium. On observe une assimilation de l'hydrogénocarbonate avec une production de biomasse et de carbonate. Le profil de pH reflète une alcalinisation du milieu par le biais de révolution du système carbonate (baisse de la concentration de l'hydrogénocarbonate et augmentation de la concentration de carbonate). Le profil de pH met également en évidence les alternances de phase jour et nuit, avec une activité de photosynthèse au cours de la phase jour et une phase de respiration au cours de la phase nuit. Un bilan permet d'établir que pour deux ions hydrogénocarbonates consommés, un carbone venant de l'hydrogénocarbonate est distribué dans la biomasse et un autre carbone venant de l'hydrogénocarbonate est transformé en carbonate.
En présence de calcium:
Les figures 2a et 2b montrent l'évolution de ces mêmes paramètres lorsque l'assimilation de l'hydrogénocarbonate est conduite en présence de calcium.
Dans le premier cas (figure 2a), la concentration de l'hydrogénocarbonate au départ de l'essai est en fort excès par rapport à la concentration de calcium. Au départ de cet essai (2a) en batch en présence de calcium, la concentration en carbonate augmente (consommation de l'hydrogénocarbonate) jusqu'à une concentration où se produit une modification rapide du profil de pH (baisse du pH). Cette baisse de pH est associée à une diminution à la fois des concentrations de carbonate et de calcium (les amplitudes de diminutions de concentrations respectives sont dans un rapport 1/1) qui reflète une précipitation de carbonate de calcium (CaC03). La vitesse de consommation de l'hydrogénocarbonate est peu altérée par cet événement de précipitation de carbonate de calcium.
Dans cet essai (2a), si l'on considère le bilan final à l'issue de la consommation totale de l'hydrogénocarbonate, la totalité du calcium présent est séquestrée sous forme de CaC03. Il reste de l'hydrogénocarbonate qui est ensuite assimilé strictement en biomasse et en carbonate (et plus en CaC03), comme dans la situation de croissance en absence de calcium présentée au paragraphe précédent relative à la figure 1.
Dans le second essai (figure 2b), le calcium au départ est en fort excès par rapport à l'hydrogénocarbonate. On observe au cours de l'avancement de la réaction d'assimilation de l'ion hydrogénocarbonate une modification rapide du profil de pH (baisse du pH). Cette baisse de pH est associée à une diminution des concentrations de carbonate et de calcium (les amplitudes de diminutions de concentrations respectives sont dans un rapport 1/1), qui reflète une précipitation de carbonate de calcium. La vitesse de consommation d'hydrogénocarbonate est peu altérée par cet événement de précipitation de carbonate de calcium. En fin d'essai, l'hydrogénocarbonate est totalement consommé et on observe une concentration résiduelle en calcium.
Ces deux essais (figures 2a-2b et figure 3) et l'essai sans calcium (figure 1) montrent que la production de biomasse est totalement indépendante de la production de carbonate de calcium. A l'inverse, la production de carbonate de calcium ne peut s'opérer qu'en présence de calcium et d'une production de carbonate liée à l'activité de photosynthèse. La production de carbonate de calcium demande donc une activité de photosynthèse sur l'ion hydrogénocarbonate pour produire l'ion carbonate nécessaire.
Dans les conditions d'excès d'hydrogénocarbonate par exemple, les bilans carbone et calcium à l'issue de la consommation totale de l'hydrogénocarbonate montrent que le calcium est complètement engagé dans du carbonate de calcium. Le carbonate produit par l'assimilation photosynthétique de la totalité de l'hydrogénocarbonate représente la moitié du carbone issu de l'hydrogénocarbonate et est réparti entre l'ion carbonate et le carbonate de calcium. Il reste du carbonate résiduel.
Dans les conditions d'excès de calcium, les bilans carbone et calcium à l'issue de la consommation totale de l'hydrogénocarbonate montrent que le calcium est en partie engagé dans du carbonate de calcium, mais qu'il existe aussi sous forme ionique (forme libre non engagée dans du carbonate de calcium). Le carbonate produit par l'assimilation photosynthétique de la totalité de l'hydrogénocarbonate représente la moitié du carbone issu de l'hydrogénocarbonate et est retrouvé en totalité dans la somme Carbonate de calcium et Ccarbonate- H reste donc du calcium résiduel.
De manière optimale, si l'on apporte une concentration minimale supérieure à une valeur seuil à la fois pour l'hydrogénocarbonate et le calcium, et par ailleurs dans une stœchiométrie égale à 1/2 (calcium /hydrogénocarbonate), on obtient une précipitation optimale de calcite par association stœchiométrique de l'ion calcium avec l'ion carbonate, avec une consommation totale de l'hydrogénocarbonate, un résiduel carbonate nul et un résiduel calcium nul. A titre d'exemple, pour une concentration de calcium de 10 mM, il faut une concentration minimale de carbonate de 1 ,1 mM pour induire une précipitation.
Une source d'hydrogénocarbonate utilisable en grande quantité est l'eau de mer. Dans l'eau de mer, l'ion hydrogénocarbonate est prépondérant par rapport au C02 dissous. Les concentrations respectives des trois espèces de carbone inorganique présent dans le système carbonate de l'eau de mer sont les suivantes: HC03 " = 1818 pmoles.kg"1 d'eau; C03 2" = 272 μηιοΙβε.Ι 1 d'eau; C02 dissous : 10,4 μιηοΙεε.Ιφ"1 eau, pour un pH de 8,1. De manière générale, la concentration en calcium de l'eau de mer est de 10,3 mM et est donc bien supérieure à celle des deux espèces carbonatées, l'ion hydrogénocarbonate (de l'ordre de 5,6 fois) et l'ion carbonate (de l'ordre de 38 fois). La composition actuelle de l'eau de mer ne permet pas de produire du carbonate de calcium par précipitation chimique spontanée. Cette composition chimique de l'eau de mer ne permet pas non plus de produire du carbonate de calcium en condition de batch en présence d'une culture de cyanobactéries, sans apport de carbone inorganique supplémentaire. Cette situation de conduite en batch permet pourtant aux ions carbonate d'augmenter compte tenu de la conversion de l'hydrogénocarbonate (1818 μΜ) en carbonate, ce qui conduit à une concentration finale théorique de carbonate de 272+1818/2 = 1181 μΜ, à mettre en face à la concentration de 10,3 mM de calcium. Un essai (figure 3) réalisé dans des conditions de concentrations en calcium, carbonate et hydrogénocarbonate très proches de celles de la composition de l'eau de mer, avec 180 μΜ de carbonate, 2261 μΜ d'hydrogénocarbonate, et 10,3 mM de calcium, permettant d'obtenir une concentration finale proche de la concentration théorique de carbonate par utilisation photosynthétique de l'hydrogénocarbonate de 1130 μΜ +180μΜ = 1300 μΜ. Dans ces conditions on n'observe pas de précipitation de carbonate de calcium dans la culture en batch. D'une part l'examen du profil de pH ne met pas en évidence de chute de pH, d'autre part la concentration de carbonate obtenue montre que le carbonate n'a pas été engagé, même en partie, dans une production de CaC03. La teneur en calcium dans le milieu reste par ailleurs constante.
En conclusion, il n'est pas possible de réaliser par une culture de cyanobactéries en batch (volume fini), et sans apport de carbone inorganique supplémentaire, une précipitation de carbonate de calcium à partir de l'eau de mer, ou à partir d'un milieu de culture reprenant les conditions de l'eau de mer (HC03 " = 1818 μιηοΙββ.Ιφ"1 d'eau; C03 2" = 272 d'eau;) par la simple assimilation de la totalité de l'hydrogénocarbonate et la production associée de carbonate (comprenant également la concentration de départ).
Culture de cyanobactéries sur un système carbonate avec pH régulé et injection de CO?. Conditions de culture dans un milieu dépourvu de calcium
La croissance de cyanobactéries avec un système carbonate se comporte comme une culture de cyanobactéries en culture batch sur hydrogénocarbonate, sans apport de carbone inorganique supplémentaire (résultats présentés dans les figures 1 à 3). Dans ces conditions la croissance de milieu avec un système carbonate va se traduire par un déséquilibre du système carbonate (alcalinisation) engendré par modification du rapport hydrogénocarbonate/carbonate. La modification de la conduite de la culture de cyanobactéries par rapport à une assimilation de l'hydrogénocarbonate en batch à pH non régulé consiste à maintenir ce rapport à sa valeur initiale, c'est-à-dire à maintenir le pH constant par injection de C02.
La valeur de pH reflète un rapport entre les concentrations des deux espèces carbonate et hydrogénocarbonate.
Cette approche, en absence de calcium, permet de calculer les taux de croissance maximum, qui sont fonction du pH, pour une composition donnée du milieu. Elle permet de préciser les bilans de conversion du C02 injecté dans le système carbonate pour faire un carbone Biomasse, de préciser les besoins en azote de la souche, de préciser la forme ionique pour l'apport d'azote, et enfin de préciser les évolutions de concentration des deux espèces au sein du milieu de culture en fonction de la concentration de biomasse présente.
Dans ces conditions, le bilan global de croissance de la biomasse selon ce mode de pilotage se traduit approximativement par: C02 — »« ICbiomasse
Le schéma de la Figure 4 permet d'expliquer le rôle de navette utilisée par le couple carbonate/hydrogénocarbonate dans le piégeage du C02 gazeux au sein de la phase aqueuse du milieu de culture des cyanobactéries, son transport facilité vers le microorganisme (sous forme d'un carbone minéral soluble = hydrogénocarbonate), et la régénération du carbonate nécessaire au piégeage à nouveau du C02 gazeux par le biais de l'assimilation de l'hydrogénocarbonate par la cyanobactérie (qui donne 1 Chômasse et 1 Ccarbonate)- Dans cette approche expérimentale, les deux espèces hydrogénocarbonate et carbonate sont sans cesse régénérées et seul le C02 gazeux injecté est la source de carbone minéral consommé et contribue seul à la production de Chômasse-
Dans ces conditions la demande biologique instantanée (demande de carbone minéral pour la croissance) qui varie avec l'augmentation de la concentration cellulaire dans le réacteur est assurée par l'injection de C02 asservie à la régulation de pH. Les pH optimaux de culture ont été déterminés pour une optimisation de la productivité de biomasse. Ces pH optimaux correspondent au temps minimal de doublement de la biomasse de cyanobactérie. Ces pH se situent entre 9 et 10.
Par ailleurs un pH élevé (optimal) signifie une concentration en carbonate supérieure à celle de l'hydrogénocarbonate (voir rapport carbonate/hydrogénocarbonate> 1) et contribue à une augmentation de l'efficacité du captage du C02 introduit dans le système carbonate.
La production de biomasse s'accompagne d'une demande d'autres éléments comme notamment l'azote et le phosphore pour ne citer que les deux plus importants pour la biomasse. L'élément quantitativement le plus important après le carbone est l'azote. L'apport d'azote sous forme de nitrate (N03 ) contribue à l'assimilation de l'azote au sein de la biomasse et à une production d'hydroxyle dans le milieu. L'azote gazeux associé à l'apport de C02 n'est pas utilisé par les cyanobactéries à une vitesses suffisante pour assurer les vitesses de croissance demandées pour le procédé.
Dans ce mode de conduite de la culture de cyanobactéries dans un système carbonate régulé ou l'agent de correction de pH est le C02 injecté dans le milieu de culture, l'incorporation de l'azote dans la biomasse, apporté sous la forme de nitrate, se traduit par l'excrétion d'1 OH" par mole d'azote incorporée et donc de y OH" par mole de C incorporé dans la biomasse, y représentant le rapport N/C (voir composition élémentaire de la biomasse de cyanobactérie). Cet apport de y OH" pour 1 mole de C biomasse va impacter l'équilibre du système carbonate et se traduire par le besoin d'une injection supplémentaire de C02 pour maintenir le pH à la valeur de consigne. Cette injection supplémentaire de C02 va contribuer à augmenter la concentration respective des deux espèces (hydrogénocarbonate et carbonate) tout en maintenant le rapport entre ces deux espèces, rapport géré par la valeur de consigne de régulation du pH.
On peut calculer à partir des concentrations initiales de carbonate et d'hydrogénocarbonate (cette situation initiale n'est pas seulement identifiée par le rapport de concentrations des deux espèces carbonate et hydrogénocarbonate, mais également par les valeurs respectives des concentrations de ces deux espèces) l'évolution des concentrations respectives de ces deux espèces ioniques (hydrogénocarbonate et carbonate) en fonction du C incorporé dans la biomasse (provenant du C02 injecté) sur la base des équations suivantes: on nomme [Hydrogénocarbonate] = C1 (en concentration)
on nomme [Carbonate] = C2 (en concentration)
à T0 on nomme [Hydrogénocarbonate]™ /[Carbonate]™ = C1To/C2To
à T on nomme [Hydrogénocarbonate]T /[Carbonate]T = C1T/C2T
Pour une augmentation de [1 Carbone Biomasse] (exprimée en concentration dans le réacteur batch), on a :
On obtient z = [C1T0 (1+y) +C2T0 (2+y)]/(2C2T0 +C1T0).
avec:
y = N/C qui représente une constante pour une souche de cyanobactéries dans des conditions bien définie de culture sans limitation de la source d'azote;
et z, qui représente l'augmentation supplémentaire de C02 injecté (que l'on exprime sous la forme d'une concentration de C02 injecté par unité de volume de milieu de culture) pour une augmentation de concentration de [1 molaire] de carbone biomasse dans le milieu de culture. On peut traduire cette concentration supplémentaire de C02 en quantité en multipliant par le volume (en litre) du réacteur.
Les valeurs calculées ont été vérifiées par comparaison avec les valeurs expérimentales.
La figure 5 présente les valeurs expérimentales et les valeurs calculées des concentrations d'hydrogénocarbonate et de carbonate en fonction du C biomasse synthétisé.
La figure 6 présente les valeurs expérimentales et les valeurs calculées de C02 injectés en fonction du C biomasse synthétisé.
Par exemple, pour une augmentation de concentration de Biomasse de 1 à 101 μΜ dans le réacteur : la quantité de C02 injecté sera de 113.7 Mmoles/I de milieu de culture. Ces 13,7 moles/l de milieu de culture représentent le C02 injecté (113,7-100) au système carbonate (et qui se réparti entre l'hydrogénocarbonate et le carbonate) consécutif de l'incorporation de l'azote dans la biomasse, dès lors que l'apport d'azote est fait sous la forme de nitrate (N03 ~).
Si la source d'azote est amenée sous la forme d'ammonium, on observe au niveau de révolution du pH une situation inverse avec une acidification par H+ (1 H+ pour 1 mole de N incorporé dans la biomasse). Le système ne peut fonctionner durablement pour une production de biomasse selon cette procédure. On diminue alors très rapidement les concentrations respectives des deux espèces, et le système n'est plus fonctionnel. Cette situation n'est pas favorable pour une conduite optimale du procédé, et il est préférable d'apporter l'azote sous la forme de nitrate. Par ailleurs, il peut être intéressant d'apporter l'azote sous la forme de nitrate de calcium, permettant ainsi d'augmenter les concentrations de calcium dans le milieu.
On peut donc à partir des concentrations de départ d'hydrogénocarbonate, de carbonate et de biomasse, et connaissant le taux de doublement de la biomasse (ou la vitesse de consommation d'hydrogénocarbonate), prévoir l'augmentation respective des concentrations des deux espèces carbonate et hydrogénocarbonate, associée à l'augmentation de la concentration de biomasse et à la consommation de C02 et de nitrate.
II est en effet important de pouvoir calculer l'augmentation de la concentration respective des deux espèces carbonate et hydrogénocarbonate.
Mise en œuyre du procédé selon l'invention : Culture de cvanobactéries sur un système carbonate avec pH régulé par injection de CO?. Conditions de culture dans un milieu aqueux en présence de calcium.
Comme vu précédemment, la précipitation de carbonate de calcium est facilement réalisée en batch par les cyanobactéries, dès lors que les concentrations en carbonate et en calcium sont suffisamment élevées pour permettre une précipitation.
En revanche, la précipitation de carbonate de calcium ne peut pas se faire en batch dès lors que l'on prend de l'eau de mer avec une composition de 1818 μΜ d'hydrogénocarbonate et de 272 μΜ de carbonate et de 10300 μΜ de calcium, sans y ajouter de carbone inorganique (C02 ou HC03 '). La survenue du premier événement de précipitation demande que la concentration de calcium ou celle de carbonate (à partir d'hydrogénocarbonate) soit augmentée.
Afin de résoudre ce problème, le procédé selon l'invention propose une modification de la conduite du procédé de culture des cyanobactéries en vue d'une production de carbonate de calcium. Le procédé selon l'invention met en œuvre une culture de cyanobactéries sur milieu aqueux carbonaté (eau de mer ou eau douce), en présence de calcium, dans laquelle on contrôle le pH par injection de C02. Ce procédé de culture permet de produire des ions carbonate par photosynthèse à partir des ions hydrogénocarbonate, afin d'obtenir à la fois une biomasse de cyanobactéries valorisable et une précipitation de carbonate de calcium (CaC03) par réaction du carbonate en présence de calcium.
Dans le cas d'un milieu marin, il est en outre possible d'introduire de l'azote sous la forme d'un apport d'eau de mer complémentée en NaN03, sans diluer et donc sans diminuer les valeurs de concentrations de carbonate et de calcium, valeurs importantes pour pouvoir assurer la croissance et la production de carbonate de calcium par cette procédure de pilotage du procédé.
Par ailleurs, il faut évaluer l'augmentation de la concentration du calcium par le biais de l'apport de calcium sous la forme de nitrate de calcium.
Dans un premier temps la croissance de la biomasse de cyanobactéries s'effectue sur l'hydrogénocarbonate sans que la régulation de pH soit opérationnelle. Dans ces conditions les concentrations respectives d'hydrogénocarbonate et de carbonate vont se modifier (basification par consommation d'hydrogénocarbonate et production de carbonate). Par exemple, dans le cas d'un pH de régulation à 9.5, avec un rapport de concentration entre les deux espèces d'environ 1/1 , on aboutit à une concentration de l'ordre de 780 μΜ pour chacune de ces deux espèces au moment de la mise en fonctionnement de la régulation. La production de biomasse (C biomasse) est de l'ordre de 515 μΜ. La consommation de carbone minéral pour la production de biomasse et de carbonate de calcium s'effectue ensuite par injection de C02. Dans ces conditions, les concentrations respectives de ces deux espèces (hydrogénocarbonate et carbonate) vont augmenter progressivement, fonction de la concentration en biomasse dans le réacteur au départ de la mise en œuvre de la régulation et du temps de doublement. Les procédures de calcul reprennent celles présentées dans le paragraphe " Culture de cyanobactéries sur un système carbonate avec pH régulé et injection de C02 - Conditions de culture dans un milieu dépourvu de calcium». Dès que la concentration en carbonate atteint une valeur de 1100 μΜ, on obtient un premier événement de précipitation.
Comme vu précédemment, la précipitation de CaC03 ne peut s'opérer en présence d'une concentration finale de 1 181 μΜ de carbonate, si l'on met en œuvre une consommation de hydrogénocarbonate en batch à partir de l'eau de mer.
En revanche, avec la même concentration en carbonate, la précipitation de CaC03 peut s'opérer dans la procédure en système carbonate avec une régulation par injection de C02 (procédé selon l'invention). En effet, lorsque la régulation de pH est initiée, la quantité de biomasse (ou la concentration) présente (environ de 515 μΜ de C biomasse) augmente encore pendant le temps où la concentration en carbonate dérive de 780 μΜ à 1100 μΜ. L'augmentation de la concentration en biomasse pour cette valeur de 1100 μΜ de carbonate peut être calculée par les équations proposées ci-avant.
La concentration en carbonate descend à 300 μΜ à l'issue du premier événement de précipitation ; le pH est donc abaissé en dessous de la consigne de régulation par le jeu de la séquestration d'une partie des ions carbonate. Dans ces conditions, la régulation de pH n'est plus opérationnelle. La consommation d'hydrogénocarbonate s'effectue alors seulement sur la quantité d'hydrogénocarbonate présente dans le milieu qui a elle aussi augmenté jusqu'à la survenue de l'événement de précipitation et dont la concentration peut être calculée par les mêmes équations proposées ci-avant. La régulation de pH est à nouveau remise en route pour une concentration d'hydrogénocarbonate redevenue égale à celle du carbonate, à savoir de l'ordre de 530 μΜ, compte tenu de la distribution du carbone ex hydrogénocarbonate consommé, réparti entre 1C biomasse et 1C carbonate. La consommation de carbone minéral s'effectue dès la réactivation de la régulation par injection de C02. Dans ces conditions, les concentrations respectives de ces deux espèces vont à nouveau augmenter progressivement, en fonction de la concentration en biomasse dans le réacteur et du temps de doublement de cette biomasse. Les procédures de calcul reprennent celles présentées dans le paragraphe " Culture de cyanobactéries sur un système carbonate avec pH régulé et injection de C02 - Conditions de culture dans un milieu dépourvu de calcium». Dès que la concentration en carbonate atteint une valeur de 1100 μΜ on obtient un second événement de précipitation.
Cette procédure peut être répétée autant de fois que la concentration en calcium le permet, c'est-à-dire jusqu'à épuisement du calcium. Valorisation de la biomasse obtenue par le procédé selon l'invention:
Valorisation directe
La valorisation de la biomasse obtenue peut être directe. Du fait de sa teneur en azote, la biomasse de cyanobactéries obtenue par le procédé selon l'invention peut être utilisée directement comme fertilisant.
Valorisation indirecte
Comme exposé précédemment, la biomasse des cyanobactéries n'est probablement pas adaptée à une valorisation sous forme d'esters méthyliques d'acides gras.
La présence des stocks de sucres peut permettre de valoriser la biomasse après une extraction de ceux-ci et leur transformation en sucres par fermentation alcoolique.
La récupération de cette biomasse et son traitement thermique par pyrolyse peut également permettre d'obtenir une huile constituant un matière première pour une gazéification avec une synthèse Fischer Tropsch.
Ces trois approches nécessitent une séparation de la biomasse de l'eau du milieu de culture. La biomasse séparée de l'eau peut ainsi être utilisée pour une valorisation énergétique par voie thermique.
Cette valorisation thermique peut être conduite par combustion directe et récupération de chaleur, ou par pyrolyse pour générer une huile. L'huile produite dans ce cas peut être utilisée comme matière première pour des synthèses chimiques par exemple, ou bien valorisée comme source d'énergie thermique ou dans des moteurs à combustion, ou encore comme matière première pour la gazéification.
Méthanogenése de la biomasse
La séparation de la biomasse de l'eau du milieu de culture est consommatrice d'énergie et donc coûteuse. C'est pourquoi un traitement de la biomasse par un processus biologique de méthanisation est envisagé de manière préférée. Une valorisation énergétique de la biomasse peut donc être effectuée par méthanogenése. La méthanogenése peut être conduite dans tout réacteur adéquat de type digesteur anaérobie. Dans ce mode préféré, on effectue la méthanisation par injection de biomasse dans un digesteur anaérobie au cours de la phase nocturne, quand le milieu de culture a été rendu anaérobie par le processus de respiration en cours.
La biomasse séparée de l'eau (avant et/ou après méthanisation) peut être utilisée pour une valorisation énergétique par voie thermique. Pour une composition élémentaire connue de biomasse (en termes de C,0,N,H,S), il est possible de prédire la production de C02 et de méthane. Dans ces calculs, on ne tient pas compte des rendements de digestibilité, qui sont en partie fonction de la composition de la paroi/membrane et de la teneur en protéine du microorganisme (il y a en effet une possibilité d'inhibition de la méthanogenése par de fortes teneurs en ammonium). On peut évaluer la production de CH4 et C02 par la formule suivante (qui ne tient pas compte non plus des besoins pour l'énergie de maintenance et l'anabolisme).
CaHbOcNd +(4a-b-2c+3d)/4 H20→ 4(a+b-2c-3d)/8 CH4+ 4(a-b+2c+3d)C02 + dNH3
La composition de la biomasse de cyanobactérie obtenue dans une culture sous injection de C02 à pH régulé à 9,5, et sans limitation d'azote est la suivante (la composition élémentaire de la biomasse est rapportée à 100) :
CONHS =
C 45,9
H 6,8
N 8,9
O 31 ,2
S 0,6
Total 93,4
Exemple :
Une culture de cyanobactéries sur un système carbonate avec pH régulé et injection de C02 est menée en batch (milieu fermé, culture continue) en milieu marin, dans de l'eau de mer ayant comme composition de départ 1818 μΜ de hydrogénocarbonate, 272 μΜ de carbonate et 10300 μ de calcium. On régule le pH aux alentours de 9.5 à 10.
Des bilans ont été faits pour une vitesse constante de consommation d'hydrogénocarbonate de 260 μΜ/heure (voir Tableau 1 et Tableau 2). nombre de
durée phase
phase de HC03- C02 CaC03 Biomasse régulation
régulation de consommé consommé produit produite pH
PH
(heures) μΜ ϋ μΜ Ο μΜ Ο μΜ Ο
Conduite du procédé
Batch sur bicarboante 1 1030 515 phase de régulation 1 37 5300 4680
1 ère précipitation 800
Batch sur bicarboante 1 464 232 phase de régulation 2 58 8540 7573
2nde précipitation 800
Batch sur bicarboante 1 464 232 phase de régulation 3 67 9900 8768
3 ieme précipitation 800
Batch sur bicarboante 1 0 500
4 ieme précipitation 800
entre chaque phase, il y a un phénomène de précipitation.
Tableau 1 : Consommation de C02, production de biomasse, production de CaC03, pour chaque phase de conduite en pH régulé par injection de C02. (pour un volume de 1 L de milieu marin).
nombre de Cumul
phase de phase HC03- C02 CaC03 Biomasse régulation de régulation consommé consommé produit produite pH pH
(heures) μΜ Ο μΜ Ο μΜ Ο μΜ Ο
Conduite du procédé
Batch sur bicarboante 1 1030 515 phase de régulation 1 38 5300 5195
1 ère précipitation 800
Batch sur bicarboante 39 1494 5427 phase de régulation 2 97 13840 13000
2nde précipitation 1600
Batch sur bicarboante 98 1958 13232 phase de régulation 3 165 23740 22000
3 ieme précipitation 2400
Batch sur bicarboante 166 0 22500
4 ieme précipitation 3200
entre chaque phase, il y a un phénomène de précipitation.
Tableau 2 : Consommation cumulée de C02, production cumulée de biomasse, production de CaC03, pour chaque phase de conduite en pH régulé par injection de C02. (pour un volume de 1 L de milieu marin) Les concentrations en hydrogénocarbonate et carbonate à l'issue de chaque étape de précipitation sont respectivement de l'ordre de 1000 μΜ et de 300 μΜ.
Sur la base de cette vitesse de consommation d'hydrogénocarbonate de 260 μ /heure, cette conduite de la culture de cyanobactérie en présence d'un milieu eau de mer avec une injection de C02 permet d'établir le bilan suivant pour un litre de milieu marin:
consommation de 1818 μΜ d'hydrogénocarbonate et 23740 μΜ de C02,
production de 22500 μΜ de C Biomasse et 3200 μΜ de C CaC03.
Cette vitesse de consommation d'hydrogénocarbonate se traduit par une concentration finale de Biomasse de 588 mg/L, une DO (absorbance à 600 nm) de 2.8 et une densité cellulaire (nombres de cellules/ml) de l'ordre de 9.4 108 cellules/ml.
Le temps de process est d'environ 1 semaine.
La production (concentration) de biomasse de 22500 μΜ de C nécessite une concentration de nitrate (de préférence de nitrate de calcium) cumulée de 22500*0,165 = 3712 μΜ, soit 3,7 mM qui vont s'additionner aux 10,3 mM de calcium de l'eau de mer. Cette situation ne peut qu'être favorable à la survenue de l'événement de précipitation.
Le bilan annualisé pour un volume d'installation de 5000 m3, soit un hectare avec 50 cm d'eau de profondeur d'eau est :
Volume d'eau de mer utilisé 5000 m3
Consommation de C02 (gazeux) 260 T de C02
Production de biomasse 147 T de biomasse (poids sec)
Production de CaC03 81 T de CaC03 (poids sec)
Cette vitesse de consommation de hydrogénocarbonate se traduit par une concentration finale de Biomasse de 588 mg/L, une DO de 2.8 et une population de l'ordre de 9.4 108.
Il peut être nécessaire de réévaluer les vitesses de consommation de hydrogénocarbonate dans ce mode de conduite, dans des conditions de non limitation d'éléments (micro ou macro). Hors ce problème de limitation par des éléments nutritifs, la photo limitation peut concourir à diminuer la progression de l'augmentation de la concentration de biomasse vers une asymptote. Indépendamment de ce problème de limitation de la vitesse de croissance par des éléments nutritifs, la photo limitation a tendance à limiter la concentration maximale de biomasse avec laquelle on peut terminer un cycle de production (sur une semaine). Dans une conduite de procédé, cette valeur de concentration ne doit pas être dépassée.
Les données obtenues d'une part pour l'essai A [Figure 7 : données de μ (carrés et triangles) et DO 660 nm (losanges)] pour lequel les valeurs maximales de DO sont de 1.4 d'une part et les données obtenues pour l'essai B [Figure 6 : DO 660 nm (carrés à bordure noire)] pour lequel les valeurs maximales de DO sont de 4,3 montrent que la progression de la croissance ne s'opère pas à μ constant.
Les données actuelles de production de biomasse alguaire en bassin concernent des productivités de l'ordre de 40 T/hectare (poids sec), avec des algues eucaryotes.
La biomasse des cyanobactéries n'est probablement pas adapté à une valorisation sous forme d'esters méthyliques d'acides gras.
La présence des stocks de sucres pourrait permettre de valoriser la biomasse après une extraction de ceux-ci et leur transformation en sucres par fermentation alcoolique.
La récupération de cette biomasse et son traitement thermique par pyrolyse pourrait permettre d'obtenir une huile qui serait une matière première pour une gazéification avec une synthèse Fischer Tropsch.
Mais ces trois approches nécessitent une séparation de la biomasse de l'eau du milieu de culture. Une telle étape de séparation est consommatrice d'énergie et donc coûteuse. C'est pourquoi un traitement de la biomasse par un processus biologique de méthanisation est proposé selon le schéma de la Figure 8, où la référence 1 est un photo réacteur, la référence 2 un décanteur, et la référence 3 un digesteur méthanogène, par exemple.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé intégré de captation biologique du C02 au moyen de cyanobactéries permettant la production de biomasse et de calcite (CaC03) et comprenant les étapes suivantes :
a) on cultive des cyanobactéries en présence de calcium dans un milieu aqueux comprenant des ions carbonate et des ions hydrogénocarbonate;
b) on effectue une photosynthèse par les cyanobactéries sur les ions hydrogénocarbonate pour produire une biomasse de cyanobactéries composée des éléments carbone, oxygène, azote, hydrogène et soufre, et provoquer la précipitation de carbonate de calcium (CaC03);
c) on apporte du carbone inorganique en injectant du C02 pour réguler le pH au cours de la réaction de photosynthèse.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le C02 est atmosphérique et on cultive les cyanobactéries dans au moins un réacteur ouvert.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel au moins une partie du C02 injecté est issue de fumées/rejets industriels.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on répète les étapes a), b), c) jusqu'à épuisement du calcium du milieu.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le pH est régulé à une valeur comprise entre 9 et 10.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le milieu de culture est un milieu aqueux synthétique contenant du calcium et un système carbonate, ou un milieu marin.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on apporte de l'azote dans le milieu sous forme d'ions nitrate.
8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel les ions nitrate sont du nitrate de calcium.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel la culture de cyanobactéries est réalisée dans des conditions continues, ou semi-continues ou batch.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on effectue une étape de méthanisation de la biomasse de cyanobactéries pour transformer la biomasse en méthane.
11. Procédé selon la revendication 10 dans lequel on effectue l'étape de méthanisation par injection de la biomasse dans un digesteur anaérobie au cours de la phase nocturne.
12. Procédé selon les revendications 10 et 11 dans lequel l'étape de méthanisation de la biomasse est effectuée directement après l'étape de production.
13. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on sépare la biomasse de l'eau du milieu pour la valoriser par voie thermique.
14. Procédé selon la revendication 13 dans lequel on valorise la biomasse par combustion directe et récupération de chaleur, ou par pyrolyse pour générer une huile.
15. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on utilise la biomasse obtenue comme source d'énergie.
16. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on utilise la biomasse obtenue comme fertilisant.
17. Procédé selon l'une des revendications précédentes, utilisé pour la production de calcite (CaC03) et la séquestration minérale du C02.
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