EP3519552A1 - Dispositif d'exposition a la lumière d'une solution algale, photobioreacteur et procedé de mise en oeuvre associés - Google Patents

Dispositif d'exposition a la lumière d'une solution algale, photobioreacteur et procedé de mise en oeuvre associés

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Publication number
EP3519552A1
EP3519552A1 EP17780348.3A EP17780348A EP3519552A1 EP 3519552 A1 EP3519552 A1 EP 3519552A1 EP 17780348 A EP17780348 A EP 17780348A EP 3519552 A1 EP3519552 A1 EP 3519552A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sleeve
exposure device
photo
algal solution
support
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP17780348.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Frédéric Duong
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suez International SAS
Original Assignee
Suez Groupe SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suez Groupe SAS filed Critical Suez Groupe SAS
Publication of EP3519552A1 publication Critical patent/EP3519552A1/fr
Pending 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
    • 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
    • C12M23/56—Floating elements
    • 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
    • C12M31/08—Means for providing, directing, scattering or concentrating light by conducting or reflecting elements located inside the reactor or in its structure

Definitions

  • the present invention relates to the field of production of concentrated algal solutions and relates in particular to a device for exposure to light of an algal solution.
  • the subject of the invention is also a photo-bioreactor incorporating such an exposure device as well as a method for starting such a photo-bioreactor.
  • algal culture in particular micro-algal to obtain a photosynthetic biofuel or nutraceuticals derived from algal biomass, can be achieved on a large scale only by significantly reducing the cost of photo-bioreactors and their exploitation.
  • algal production is not restricted to warm, sunny regions, and technical solutions to increase algal production in temperate latitudes should be considered.
  • Document DE 103 15 750 thus shows a photo-bioreactor comprising rows of rigid transparent vertical tubes, through which the algal solution subjected to the light radiation passes through the tubes, which allows photosynthesis.
  • these materials are expensive and the manufacturing time is long for parts intended for industrial applications of photo-bioreactors that can cover several tens of hectares.
  • these materials are flammable and their ecological footprint is significant for manufacturing and deconstruction.
  • aerial photo-bioreactors that require a significant land grab and a height that induces a wind resistance penalizing the construction. Due to their large surface area in contact with the outside air, aerial photo-bioreactors are very sensitive to climatic conditions, which affects their performance in cold, windy or hot regions. It is also known from the state of the prior art through WO2013011448A1, a light exposure device based on very thin flexible sleeves which take a cylindrical shape solely by difference in static pressure between the liquid internal to the sleeves and the liquid of the pond in which the microalgae are grown. The flexible nature of the sleeves immersed in the culture basin makes it possible to give them a cylindrical shape solely due to the difference in height of internal liquid with the water level of the basin. The static pressure is thus uniform over the entire height of the sleeves without any mechanical stress, which reduces the thickness of the sleeves while maintaining good mechanical strength. This type of solution allows to consider compact photo-bioreactors, made with extremely light and inexpensive materials.
  • the implementation can be ensured in existing natural or artificial basins adapted to the culture of micro-algae in continuous regime.
  • the regular spacing of the sleeves is obtained by a plate with holes mounted on a supporting structure fixed above the basin.
  • an object of the invention is to overcome the constraints imposed by the support structure and in particular to simplify the mounting and fixing above the basin.
  • the invention proposes a device for exposure to light of an algal solution, for a photo-bioreactor, suitable for being implemented by flotation in a pool by means of the combination and the balance between the principle of Archimedes and the principle of Torricelli.
  • the invention proposes a light exposure device for an algal solution, for a photo-bioreactor, this exposure device comprising a planar support comprising at least one opening adapted to receive at least one sleeve, the sleeve being a flexible material, liquid-tight and translucent, or transparent, and comprising an open end adapted to receive a sleeve, the sleeve being translucent, or transparent, and arranged to close and attaching said sleeve to the support, characterized in that the exposure device has positive buoyancy in the water, in that the actual weight of the plane support and the emergent portion of the sleeves is less than the induced buoyancy during his immersion.
  • the exposure device may comprise at least one buoy or floating structure disposed below said support so as to define a free space between said support and the level of the algal solution.
  • the plane support may have positive buoyancy in the water, in that the actual weight of the plane support and the emergent portion of the sleeves is less than the buoyancy force induced during immersion.
  • the support may be a framework consisting of a material whose density is less than 2, preferably less than 1.
  • the support may be a perforated plate made of a material whose density is less than 2, preferably less than 1.
  • the sleeve may comprise an optical concentrator arranged to concentrate the light towards the inside of the at least one sleeve.
  • the sleeve may comprise a valve for the admission of a liquid into the sleeve.
  • the exposure device may further comprise means for securing and / or anchoring.
  • the invention also relates to a photo-bioreactor for the production of an algal solution comprising a pond and at least one light exposure device, this exposure device comprising a support comprising at least one aperture adapted to receive at least one sleeve, the sleeve being of flexible, liquid-tight material and translucent, even transparent, and comprising an open end adapted to receive a sleeve, the sleeve being translucent, or even transparent, and arranged to close and fix said sleeve to the support, characterized in that the at least one exposure device is a light exposure device according to any one of the embodiments.
  • the photobioreactor may comprise a plurality of exposure devices assembled together to increase the exposure area of the algal solution to light.
  • the photo-bioreactor may further comprise suction means arranged to suck the liquid contained in the at least one sleeve.
  • the photo-bioreactor may furthermore comprise a device for replacing the "at least one sleeve", this replacement device comprising a drum and being arranged for winding "the at least one sleeve” on the drum and / or for unrolling "The at least one sleeve” from this drum.
  • the photo-bioreactor may comprise in the lower part of the basin, means for dispensing a pressurized gas, in particular carbon dioxide mixed or not with air, ensuring agitation of the algal solution.
  • a pressurized gas in particular carbon dioxide mixed or not with air
  • the photo-bioreactor may further comprise orientable reflectors disposed on the periphery of said photo-bioreactor, so as to increase the capture surface and the intensity of the light rays, especially when the azimuth and the angle of the sun's rays are low.
  • the subject of the invention is also a process for implementing a photo-bioreactor according to any one of the embodiments of the invention, characterized in that it comprises successively:
  • a step of installing at least one exposure device in the empty basin of the photo-bioreactor a step of filling the pond with a liquid for producing an algal solution.
  • the method may further comprise, after filling the basin, a step of filling the at least one sleeve of the at least one exposure device with a neutral liquid for the algal solution, so as not to alter the algal solution in case of accidental breakage of the sleeve, and so that,
  • the liquid height in the sleeves may be greater than that of the algal solution in order to provide a differential hydrostatic pressure for maintaining the shape of the sleeve without constraint.
  • the method may further comprise, after the filling of the at least one sleeve, a step of securing and / or anchoring the at least one exposure device.
  • the method may further comprise, at the end of the filling of the basin, a step of seeding the liquid for the production of an algal solution with a microalgae strain.
  • Figure 1 is a schematic vertical section of a photobioreactor according to the invention, with a basin containing the algal solution.
  • Figure 2 is a horizontal section along line II-II of Figure 1.
  • Figure 3 is a diagram, on a larger scale, of a vertical flexible sleeve mounted on its supporting structure.
  • Figures 4 and 5 are transverse vertical sections, on a smaller scale, of possible shapes for the photo-bioreactor basin.
  • Figure 6 is a schematic sectional view of a fastener of a flexible handle on its supporting structure.
  • Figure 7 is a top view of a first embodiment of the carrying structure of the flexible sleeves.
  • Figure 8 is a top view of a second embodiment of the carrying structure of the flexible sleeves.
  • Figure 9 is a vertical schematic section of a third embodiment of the carrying structure of the flexible sleeves.
  • variants of the invention comprising only a selection of characteristics described, isolated from the other characteristics described (even if this selection is isolated within a sentence including these other characteristics), if this selection of features is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the prior art.
  • This selection comprises at least one characteristic, preferably functional without structural details, or with only a part of the structural details if this part alone is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the prior art .
  • a photobioreactor 1 designated by the abbreviation PBR, can be seen for production of concentrated algal solution 2.
  • the PBR comprises a basin 3 containing the algal solution and a device for exposing the algal solution to light.
  • the exposure device comprises at least one supporting structure or a flat support 6, comprising at least one opening, at least one sleeve 5 of flexible material, liquid-tight and translucent, or even transparent, and comprising one end open adapted to accommodate a sleeve 10, the sleeve being translucent, or transparent, and arranged to close and fix said sleeve to the support.
  • translucent is meant that the sleeve 5 and the sleeve 10 are able to let light rays pass through, said rays permitting photosynthesis reactions in the pool.
  • Transparency means that the sleeve 5 and the sleeve 10 are able to let the light rays pass (light transmission by refraction). Through the sleeve 5 and the sleeve 10, it is moreover possible to see through with clarity.
  • the light exposure device has positive buoyancy in the water.
  • “Positive buoyancy in water” means that the actual weight of the light exposure device is less than the Archimedes thrust, which allows the light exposure device to remain on the surface of the pool. , and therefore to float.
  • buoyancy can be ensured in different ways.
  • the light exposure device may comprise one or more buoys 8 which is / are hung under the support 6 so that it can float and can be maintained above the filled basin surface
  • the carrier structure or support 6 intrinsically has a positive buoyancy and may be a frame 61 made of a material whose density is less than 2, preferably less than 1.
  • This framework may then consist of a assembly of marine grade chipboard or other low density and rotproof composite material, such as polyurethane, polystyrene filled with fiberglass.
  • the carrier structure or support 6 intrinsically has a positive buoyancy and may be a perforated plate 62 also made of a material whose density is less than 2, preferably less than 1.
  • the material may also be marine grade chipboard or any other material low-density and rot-proof composite, such as polyurethane, polystyrene filled with fiberglass.
  • the light exposure device may provide a carrier structure or support 6 made of a material whose density is less than 2, preferably less than 1, and additionally provide one or more buoys 8.
  • the sleeve 5 is made of a transparent flexible material, preferably resistant to traction. This sleeve 5 is suspended from the supporting structure or support 6 and is filled with a liquid L which ensures a cylindrical shape to this sleeve.
  • the flexible sleeve 5 is advantageously made of a material resistant to ultraviolet, especially polyethylene terephthalate, or equivalent material.
  • the sleeve can be obtained by winding a rectangular portion of sheet 4 and assembling the two parallel edges by gluing or welding or pulse. The lower end of the sleeve is closed while the upper end remains open to be fixed on its periphery to the support 6.
  • Fixing the sleeve 5 to the support 6 can be carried out as illustrated in FIG. 3 by providing, in the support 6, for each sleeve a frustoconical opening 7, decreasing in section from top to bottom.
  • the upper edge of the sleeve 5 is wedged against the frustoconical wall of the opening 7 by a sleeve 10 itself frustoconical, conjugated with the opening 7, and made of transparent material.
  • the fixing of the sleeves 5 to the support 6 can also be ensured in a different manner, in particular by flanges or O-ring 106 as illustrated in FIG. 6, instead of the retaining by nested conical pieces. It is not necessary to ensure complete sealing at this attachment because there is no contact between the algal solution and the water located inside the immersed sleeves 5.
  • a rib 105 may be formed around the outer surface of the sleeve to prevent the sleeve from passing through the opening 610, 620 of the holder when fitting the sleeve 5 to said holder.
  • the sleeves are inserted between the bars 610 and blocked by means of their sleeve also inserted between the bars 610 in an adjusted manner.
  • the sleeves are inserted into the holes 620 and locked by means of their sleeve also inserted into the holes 620 in an adjusted manner.
  • the perforated plate can be transparent and thin. It can also be reinforced by a transparent reinforcement that provides sufficient surface stiffness to support a point load (cleaning, maintenance).
  • the basin 3 is filled with algal solution 2.
  • a plurality of flexible transparent sleeves 5, filled with liquid L, are immersed in the algal solution 2 and are regularly distributed to transmit and diffuse the light , sensed at the upper ends of the sleeves 5, throughout the basin and solution 2.
  • the liquid L which fills the sleeves 5 has the main function of transmitting and diffusing the light captured, and is constituted in particular of water and an additive (the additive may be antifreeze, or a fluorescent or antiseptic product, or an anti-foam product).
  • the closed lower end of the sleeves 5 is preferably equipped with a ballast 11.
  • This ballast 11 makes it possible, when introducing empty sleeves into the algal solution 2, to prevent them from floating, which would make it difficult to their subsequent filling with water.
  • the ballast may be formed of a rod or a ball of heavy material, metal or mineral.
  • the composition of the liquid L that fills the sleeves 5 is neutral vis-à-vis the algal solution to avoid any risk in case of accidental breakage.
  • the liquid L in the case of the embodiment of Figure 1 is essentially water with an optional additive, this additive may be antifreeze, or an antiseptic, or a fluorescent product.
  • the h5 height of the liquid in the sleeves 5 is slightly greater than that h2 ( Figure 1) of the algal solution in the basin, to ensure a differential hydrostatic pressure (h5 - h2) which maintains the cylindrical shape without constraint on the flexible sleeve wall 5.
  • the height of the sleeve support at the level of the algal solution results from the equilibrium between buoyancy and the weight carried by the perforated plates and the part of the sleeves not immersed.
  • the sleeves are advantageously filled with water to the sleeve 10. This allows the speed of propagation of light in the sleeve is essentially in the water without discontinuity of the transmission. This transmission then admits the quality of an optical fiber transmission.
  • the sleeves 5 are in contact, by their outer wall, with the algal solution 2 which fills the basin.
  • the sleeve 10 may comprise a body 101 holding a Fresnel lens 104.
  • the sleeve can be closed sealed by a translucent cover 102 or transparent, which can also include an optical concentrator.
  • the sleeve may comprise a valve 103 for the admission of the liquid into the sleeve, when filling the sleeve with a neutral liquid.
  • This valve is then preferably formed on the cover 102 of the sleeve.
  • the basin 3 may comprise several light exposure devices in accordance with the invention and connected together by means of buoys 8. It can then be provided complementary inflatable floats spaced regularly and transversely to the main structure. They can then support a large point load (snow or maintenance tools) without remanent deformation of the surface.
  • the light exposure device may further comprise means for securing and / or anchoring (not shown in the figures). Indeed, because of the positive buoyancy of the device, it is not necessary to fix it on the surface of the basin of the PBR as was necessary in the prior art.
  • the basin may be square or rectangular as shown in Figure 2, or cylindrical in shape with a circular cross section (not shown).
  • the basin may be aerial as illustrated in Figure 1, in which case portholes 12 may be provided in the walls to complete the exposure to light algal solution 2.
  • the basin 3 may also be semi-buried or buried.
  • the basin can also be made of prefabricated elements in the factory and assembled on site with a liner of the type used in swimming pools.
  • the vertical cross section 13 of the basin may be rectangular as shown in Figure 4, with a flat roof.
  • the vertical section 14 may have a trapezoidal bottom portion.
  • the walls can also be made of a transparent waterproof membrane, in particular flexible membrane, contributing to the exposure of the algal solution to light.
  • An algal solution extraction line is provided in the upper part of the basin, in order to benefit from the higher concentration of algae. After extraction and filtration, the return of water is ensured in the lower part by a pipe 26. The nutrients for the development of algae can be injected into the return water.
  • the process of extracting the biomass in the algae solution of the photobioreactors is continuous and, since it does not require intermediate storage in reservoirs, it is not necessary to provide ultrafiltration with membranes for avoid the inadvertent development of algae in the tanks.
  • the photo-bioreactor according to the invention can provide a system for filtering the wavelengths of light.
  • the photo-bioreactor can also provide sun-breezes to reduce the light intensity of rays incident on the surface of the basin.
  • the outer lens material can be colored or photochromic to limit the light intensity captured.
  • the photo-bioreactor can also provide artificial lighting means such as light emitting diodes.
  • the photo-bioreactor may further comprise orientable reflectors disposed at the periphery. said photo-bioreactor.
  • the photo-bioreactor according to the invention may provide means for emptying a sleeve for the purpose of replacing it and setting up another sleeve.
  • the handle that is to be removed is connected, by its upper end, to a pipe connected to the inlet of a suction means of the liquid located inside the sleeve.
  • the suction means is generally constituted by a pump. The external pressure exerted by the algal solution compresses the sleeve which flattens and which, after disconnection of the suction pipe, is removed from the basin.
  • a device for replacing the sleeves, by winding is provided above the basin.
  • This device comprises a drum rotary winding mounted movable in translation above the cells of the basin (for example on a mobile gantry), while being supported by a rail or a gatte.
  • Cleaning members including rotating brushes, are provided for translational movement with the drum and for determining a vertical passage gap for the flattened handle which is cleaned by these brushes when removed from the algal solution.
  • the device allows, by unfolding, to set up a new flattened sleeve in the algal solution to replace that which has been removed.
  • the PBR comprises, in the lower part of the basin, means for dispensing a gas under pressure, in particular carbon dioxide (CO 2) mixed or not with air favorable for the development of algae, and ensuring the agitation of the algal solution.
  • the distribution means are constituted by ramps for blowing the gas, as illustrated by arrows F, in the spaces between the sleeves 5.
  • the dispensing means 27 are connected to the outlet of a booster 28, rotating, piston or screw, by a pipe 29.
  • the distribution of carbon dioxide (CO2) ensures the agitation and homogeneity of the algal solution in the basin 9.
  • the PBR further comprises gas capturing means 30 formed by a pipe opening in the upper part of the basin 9, above the algal solution, in the gaseous surface above this solution.
  • gas capturing means 30 formed by a pipe opening in the upper part of the basin 9, above the algal solution, in the gaseous surface above this solution.
  • These capture means are connected to the suction of a fan 31 which delivers the gases in a pipe 32, in particular to the atmosphere.
  • a recycling of a portion of these gases can be provided through a tapping 33 on the pipe 32, this tapping being connected to the suction of the booster 28.
  • Basin 3 is insulated to reduce heat loss. Regulation of the temperature of the algal solution is advantageously provided by means of a device for heating and / or cooling (not shown) of the water introduced via line 26 into the pond after filtration, which makes it possible to maintain optimal conditions for the growth of algae and microorganisms. algae.
  • heating floors supplied with hot water at low and medium temperatures mention may be made of heating floors supplied with hot water at low and medium temperatures, bubbling with saturated vapors or combustion gases charged with CO 2, external exchangers with plates, tubular or spiral coils, resistors self-regulated or immersed external electric
  • Thermal insulation is also complementary equipment that can be implemented with double walls for the sleeve supports.
  • the liquid height (h5) in the sleeves is greater than that (h2) of the algal solution to ensure a differential hydrostatic pressure for maintaining the shape of the sleeve without restraint.
  • the submerged height of the sleeves is indeed subject to the buoyancy of Archimedes which is exerted on the floating structure of the support of the sleeves.
  • This upward force ensures the difference in level between the liquid in the sleeves and the high level of the pool. It is the combination and the balance between Archimedes' principle and Torricelli's principle which allow in short the maintenance of the sleeves.
  • buoyancy of the light exposure device is particularly expressed in the implementation of a photobioreactor according to one of the embodiments described above.
  • the floating nature of the light exposure device makes it possible to simplify and secure the use of the light exposure device, and this at a lower cost.
  • buoyancy of the light exposure devices allows a great modularity. Indeed, given the fact that it is not necessary to fix them on the periphery of the basin, it is possible to add, remove or change while the pond is in operation.
  • these light exposure devices are very autonomous in terms of use (installation, service life).
  • the position of the sleeves of the light exposure device relative to the surface of the water is always the same regardless of the variations in the water level in the basin.
  • the assembly is fast and does not require heavy lifting means.
  • the overall dimensions of such a disassembled device is the road gauge, or a footprint of 2.5 m maximum.

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Abstract

L'invention se rapporte à un dispositif d'exposition à la lumière d'une solution algale, pour un photo-bioréacteur, ce dispositif d'exposition comprenant un support plan (6, 61, 62) comprenant au moins une ouverture (610, 620) apte à accueillir au moins une manche (5), la manche (5) étant en matériau souple, étanche aux liquides et translucide, voire transparent, et comprenant une extrémité ouverte apte à accueillir un manchon (10), le manchon étant translucide, voire transparent, et agencé pour obturer et fixer ladite manche au support, caractérisé en ce que le dispositif d'exposition admet une flottabilité positive dans l'eau. L'invention a également pour objet un photo-bioréacteur doté d'un tel dispositif et un procédé de démarrage d'un tel photo-bioréacteur.

Description

DISPOSITIF D'EXPOSITION A LA LUMIERE D'UNE SOLUTION ALGALE, PHOTOBIOREACTEUR ET PROCEDE DE MISE EN ŒUVRE ASSOCIES
La présente invention se rapporte au domaine de la production des solutions algales concentrées et concerne en particulier un dispositif d'exposition à la lumière d'une solution algale. L'invention a également pour objet un photo-bioréacteur intégrant un tel dispositif d'exposition ainsi qu'un procédé de démarrage d'un tel photo-bioréacteur.
Le développement de la culture algale, en particulier micro-algale en vue d'obtenir un biocarburant photosynthétique ou des composés nutraceutiques issus de la biomasse algale, ne pourra être assuré à grande échelle qu'en réduisant significativement le coût des photo-bioréacteurs et de leur exploitation. En outre, la production algale n'est pas réservée aux seules régions chaudes et ensoleillées, et il faut envisager des solutions techniques permettant d'augmenter la production algale dans des pays situés aux latitudes des régions tempérées.
II est connu de l'état de la technique antérieure des photo-bioréacteurs qui utilisent des compartiments de différentes formes, séparés par des parois rigides, en particulier en polycarbonate ou autres matériaux monomère ou polymère. Le document DE 103 15 750 montre ainsi un photo-bioréacteur comportant des rangées de tubes verticaux transparents rigides, dans lesquels passe la solution algale soumise au rayonnement lumineux qui traverse les tubes, ce qui permet la photosynthèse. Toutefois, ces matériaux sont coûteux et le délai de fabrication est long pour des pièces destinées à des applications industrielles de photo-bioréacteurs pouvant couvrir plusieurs dizaines d'hectares. De plus, ces matériaux sont inflammables et leur empreinte écologique est significative pour la fabrication et pour la déconstruction.
Il est également connu des photo-bioréacteurs aériens qui nécessitent une emprise foncière importante et une hauteur qui induit une prise au vent pénalisant la construction. Du fait de leur importante surface en contact avec l'air extérieur, les photo-bioréacteurs aériens sont très sensibles aux conditions climatiques, ce qui affecte leurs performances dans les régions froides, ventées ou trop chaudes. Il est également connu de l'état de la technique antérieure au travers du document WO2013011448A1, un dispositif d'exposition à la lumière basé sur des manches souples d'épaisseur très faible qui prennent une forme cylindrique uniquement par différence de pression statique entre le liquide interne aux manches et le liquide du bassin dans lequel est cultivé les micro algues. La nature souple des manches immergées dans le bassin de culture permet de leur donner une forme cylindrique uniquement due par la différence de hauteur de liquide interne avec le niveau d'eau du bassin . La pression statique est ainsi uniforme sur toute la hauteur des manches sans aucune contrainte mécanique, ce qui permet de réduire l'épaisseur des manches tout en conservant une bonne résistance mécanique. Ce type de solution permet d'envisager des photo-bioréacteurs compactes, réalisés avec des matériaux extrêmement légers et peu coûteux.
La mise en œuvre peut être assurée dans des bassins existants naturels ou artificiels adaptés à la culture des micro-algues en régime continu. L'espacement régulier des manches est obtenu par une plaque à trous montée sur une structure porteuse fixée au-dessus du bassin.
Toutefois, la fixation de cette structure porteuse est souvent critique du fait de la surface de culture et de la charge en liquide contenue dans les manches.
De plus le montage et la fixation de cette structure porteuse au-dessus d'un bassin rempli d'eau présente des contraintes assujetties à la manutention et la mise en œuvre de la multitude de manches et accessoires nécessaires à la culture.
C'est pourquoi, un but de l'invention est de s'affranchir des contraintes imposées par la structure porteuse et notamment d'en simplifier le montage et la fixation au-dessus du bassin .
A cet effet, l'invention propose un dispositif d'exposition à la lumière d'une solution algale, pour un photo-bioréacteur, apte à être mis en œuvre par flottation dans un bassin moyennant la combinaison et l'équilibre entre le principe d'Archimède et le principe de Torricelli.
Plus précisément, l'invention propose un dispositif d'exposition à la lumière d'une solution algale, pour un photo-bioréacteur, ce dispositif d'exposition comportant un support plan comprenant au moins une ouverture apte à accueillir au moins une manche, la manche étant en matériau souple, étanche aux liquides et translucide, voire transparent,, et comprenant une extrémité ouverte apte à accueillir un manchon , le manchon étant translucide, voire transparent, et agencé pour obturer et fixer ladite manche au support, caractérisé en ce que le dispositif d'exposition admet une flottabilité positive dans l'eau, en ce sens que le poids réel du support plan et de la partie émergée des manches est inférieur à la poussée d'Archimède induite lors de son immersion.
Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémentaires ou de substitution sont énoncées ci-après.
Le dispositif d'exposition peut comprendre au moins une bouée de flottaison ou une structure flottante, disposée en dessous dudit support de manière à définir un espace libre entre ledit support et le niveau de la solution algale. Le support plan peut admettre une flottabilité positive dans l'eau, en ce sens que le poids réel du support plan et de la partie émergée des manches est inférieur à la poussée d'Archimède induite lors de son immersion.
Le support peut être une ossature constituée d'un matériau dont la densité est inférieure à 2, de préférence inférieure à 1.
Le support peut être une plaque perforée constituée d'un matériau dont la densité est inférieure à 2, de préférence inférieure à 1.
Le manchon peut comporter un concentrateur optique agencé pour concentrer la lumière vers l'intérieur de l'au moins une manche.
Le manchon peut comporter une valve pour l'admission d'un liquide dans la manche.
Le dispositif d'exposition peut comporter en outre des moyens d'arrimage et/ou d'ancrage.
L'invention a également pour objet un photo-bioréacteur pour la production d'une solution algale comprenant un bassin et au moins un dispositif d'exposition à la lumière, ce dispositif d'exposition comportant un support comprenant au moins une ouverture apte à accueillir au moins une manche, la manche étant en matériau souple, étanche aux liquides et translucide, voire transparent, et comprenant une extrémité ouverte apte à accueillir un manchon, le manchon étant translucide, voire transparent, et agencé pour obturer et fixer ladite manche au support, caractérisé en ce que l'au moins un dispositif d'exposition est un dispositif d'exposition à la lumière conforme à l'un quelconque des modes de réalisation.
Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémentaires ou de substitution sont énoncées ci-après.
Le photo-bioréacteur peut comprendre plusieurs dispositifs d'exposition assemblés entre eux de manière à augmenter la surface d'exposition de la solution algale à la lumière.
Le photo-bioréacteur peut comprendre en outre un moyen d'aspiration agencé pour aspirer le liquide contenu dans l'au moins une manche.
Le photo-bioréacteur peut comprendre en outre un dispositif de remplacement de « l'au moins une manche », ce dispositif de remplacement comprenant un tambour et étant agencé pour enrouler « l'au moins une manche » sur le tambour et/ou pour dérouler « l'au moins une manche » à partir de ce tambour.
Le photo-bioréacteur peut comprendre en partie inférieure du bassin, des moyens de distribution d'un gaz sous pression, en particulier du dioxyde de carbone mélangé ou non avec de l'air, assurant l'agitation de la solution algale.
Le photo-bioréacteur peut comprendre en outre des réflecteurs orientables disposés en périphérie dudit photo-bioréacteur, de manière à augmenter la surface de captation et l'intensité des rayons lumineux, notamment lorsque l'azimut et l'angle des rayons du soleil sont faibles. L'invention a également pour objet un procédé de mise en oeuvre d'un photo-bioréacteur conforme à l'un quelconque des modes de réalisation de l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend successivement :
- une étape de montage d'au moins un dispositif d'exposition à la lumière,
- une étape d'installation d'au moins un dispositif d'exposition dans le bassin vide du photo-bioréacteur, - une étape de remplissage du bassin avec un liquide pour la production d'une solution algale.
Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémentaires ou de substitution sont énoncées ci-après.
Le procédé peut comprendre en outre, à l'issue du remplissage du bassin, une étape de remplissage de l'au moins une manche du au moins un dispositif d'exposition avec un liquide neutre pour la solution algale, afin de ne pas altérer la solution algale en cas de rupture accidentelle de la manche, et de sorte que,
A l'issue de l'étape de remplissage de l'au moins une manche et lorsque la au moins une manche est immergée dans la solution algale, la hauteur de liquide dans les manches peut être supérieure à celle de la solution algale afin d'assurer une pression hydrostatique différentielle pour le maintien de la forme de la manche sans contrainte.
Le procédé peut comprendre en outre, à l'issue du remplissage de l'au moins une manche, une étape d'arrimage et/ou d'ancrage du au moins un dispositif d'exposition.
Le procédé peut comprendre en outre, à l'issue du remplissage du bassin, une étape d'ensemencement du liquide pour la production d'une solution algale avec une souche de micro algues.
D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
La Figure 1 est une coupe schématique verticale d'un photo- bioréacteur selon l'invention, avec un bassin contenant la solution algale.
La Figure 2 est une section horizontale suivant la ligne II-II de La figure 1.
La Figure 3 est un schéma, à plus grande échelle, d'une manche souple verticale montée sur sa structure porteuse.
Les Figures 4 et 5 sont des sections verticales transversales, à plus petite échelle, de formes possibles pour le bassin du photo-bioréacteur.
La Figure 6 est une coupe schématique d'un élément de fixation d'une manche souple sur sa structure porteuse.
La Figure 7 est une vue de dessus d'un premier mode de réalisation de la structure porteuse des manches souples.
La Figure 8 est une vue de dessus d'un second mode de réalisation de la structure porteuse des manches souples.
La Figure 9 est une coupe schématique verticale d'un troisième mode de réalisation de la structure porteuse des manches souples.
A des fins de clarté et de concision, les références sur les figures correspondent aux mêmes éléments.
Les modes de réalisation décrits ci-après étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites, isolées des autres caractéristiques décrites (même si cette sélection est isolée au sein d'une phrase comprenant ces autres caractéristiques), si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.
En se reportant à La figure 1 des dessins, on peut voir un photo- bioréacteur 1, désigné par l'abréviation PBR, pour la production d'une solution algale 2 concentrée. Le PBR comporte un bassin 3 contenant la solution algale et un dispositif d'exposition à la lumière de cette solution algale.
Selon l'invention, le dispositif d'exposition comprend au moins une structure porteuse ou un support plan 6, comprenant au moins une ouverture, au moins une manche 5 en matériau souple, étanche aux liquides et translucide, voire transparent, et comprenant une extrémité ouverte apte à accueillir un manchon 10, le manchon étant translucide, voire transparent, et agencé pour obturer et fixer ladite manche au support. On entend par translucide, le fait que la manche 5 et le manchon 10 sont aptes à laisser passer les rayons lumineux, lesdits rayons permettant les réactions de photosynthèse dans le bassin.
On entend par transparent, le fait que la manche 5 et le manchon 10 sont aptes à laisser passer les rayons lumineux (transmission de la lumière par réfraction). A travers la manche 5 et le manchon 10, il est de surcroît possible de voir à travers avec netteté.
Toujours selon l'invention, le dispositif d'exposition à la lumière admet une flottabilité positive dans l'eau. On entend par « flottabilité positive dans l'eau » le fait que le poids réel du dispositif d'exposition à la lumière est inférieur à la poussée Archimède, ce qui permet au dispositif d'exposition à la lumière de rester à la surface du bassin, et donc de flotter.
Avantageusement, c'est l'ensemble du dispositif d'exposition à la lumière associé à la partie émergée des manches remplies d'eau qui admet une flottabilité positive.
Plus en détail maintenant, la flottabilité peut être assurée de différentes manières.
Selon un premier mode de réalisation, le dispositif d'exposition à la lumière peut comprendre une ou plusieurs bouées de flottaison 8 qui est/sont accrochées sous le support 6 afin qu'il puisse flotter et qu'il puisse être maintenu au-dessus de la surface du bassin rempli
Selon un second mode de réalisation, la structure porteuse ou support 6 admet intrinsèquement une flottabilité positive et peut être une ossature 61 constituée d'un matériau dont la densité est inférieure à 2, de préférence inférieure à 1. Cette ossature peut alors consister en un assemblage de barres en bois aggloméré de qualité marine ou tout autre matériau composite à faible densité et imputrescible, tels que le polyuréthane, le polystyrène chargés en fibres de verre.
Selon un troisième mode de réalisation, la structure porteuse ou support 6 admet intrinsèquement une flottabilité positive et peut être une plaque perforée 62 également constituée d'un matériau dont la densité est inférieure à 2, de préférence inférieure à 1. Le matériau peut être également du bois aggloméré de qualité marine ou tout autre matériau composite à faible densité et imputrescible, tels que le polyuréthane, le polystyrène chargés en fibres de verre.
Bien entendu, le dispositif d'exposition à la lumière peut prévoir une structure porteuse ou support 6 constituée d'un matériau dont la densité est inférieure à 2, de préférence inférieure à 1, et prévoir en sus une ou plusieurs bouées de flottaison 8.
De façon également détaillée, la manche 5 est réalisée en un matériau souple transparent, de préférence résistant à la traction. Cette manche 5 est suspendue à la structure porteuse ou support 6 et est remplie d'un liquide L qui assure une forme cylindrique à cette manche.
La manche souple 5 est avantageusement réalisée en un matériau résistant aux ultraviolets, notamment en polyéthylène téréphtalate, ou matériau équivalent. La manche peut être obtenue en enroulant une portion rectangulaire de feuille 4 et en assemblant les deux bords parallèles par collage ou soudage ou impulsion. L'extrémité inférieure de la manche est fermée tandis que l'extrémité supérieure reste ouverte pour être fixée, sur sa périphérie, au support 6.
La fixation de la manche 5 au support 6 peut être réalisée comme illustrée sur la figure 3 en prévoyant, dans le support 6, pour chaque manche une ouverture 7 tronconique, diminuant de section de haut en bas. Le bord supérieur de la manche 5 est coincé contre la paroi tronconique de l'ouverture 7 par un manchon 10 lui-même tronconique, conjugué de l'ouverture 7, et réalisé en matière transparente.
La fixation des manches 5 au support 6 peut être aussi être assurée de manière différente, en particulier par des brides ou joint torique 106 comme illustrée sur la figure 6, au lieu de la retenue par des pièces coniques emboîtées. Il n'est pas nécessaire d'assurer une étanchéité totale au niveau de cette fixation car il n'y a pas de contact entre la solution algale et l'eau située à l'intérieur des manches immergées 5.
Une nervure 105 peut être ménagée autour de la surface extérieure du manchon pour empêcher que le manchon ne traverse l'ouverture 610, 620 du support lors du montage de la manche 5 sur ledit support. Dans le cas où la structure porteuse est une ossature 61, les manches sont insérées entre les barres 610 et bloquées au moyen de leur manchon également insérés entre les barres 610 de manière ajustée.
Dans le cas où la structure porteuse est une plaque perforée 62, les manches sont insérées dans les trous 620 et bloquées au moyen de leur manchon également insérés dans les trous 620 de manière ajustée.
La plaque perforée peut être transparente et de faible épaisseur. Elle peut être aussi renforcée par un renfort transparent qui assure une rigidité superficielle suffisante pour supporter une charge ponctuelle (nettoyage, maintenance).
De part et d'autre de la plaque perforée, on peut prévoir une gatte qui permettra la collecte des eaux pluviales. La pente d'écoulement naturel pourrait être assurée par une différence de pression dans des entretoises gonflables.
Selon le mode de réalisation de la figure 1, le bassin 3 est rempli de solution algale 2. Une pluralité de manches transparentes souples 5, remplies de liquide L, sont immergées dans la solution algale 2 et sont régulièrement réparties pour transmettre et diffuser la lumière, captée à l'extrémité supérieure des manches 5, dans tout le bassin et la solution 2.
Selon cette réalisation, le liquide L qui remplit les manches 5 a pour principale fonction de transmettre et de diffuser la lumière captée, et est constitué en particulier d'eau et d'un additif (l'additif peut être de l'antigel, ou un produit fluorescent ou antiseptique, ou un produit anti-mousse). L'extrémité inférieure fermée des manches 5 est de préférence équipée d'un lest 11. Ce lest 11 permet, lors de l'introduction de manches vides dans la solution algale 2, d'éviter qu'elles ne flottent, ce qui rendrait difficile leur remplissage ultérieur avec de l'eau. Le lest peut être formé d'une tige ou d'une bille en matériau lourd, métal ou minéral.
La composition du liquide L qui remplit les manches 5 est neutre vis-à- vis de la solution algale afin d'éviter tout risque en cas de rupture accidentelle. Le liquide L, dans le cas de la réalisation de La figure 1 est essentiellement de l'eau avec un additif éventuel, cet additif pouvant être de l'antigel, ou un antiseptique, ou un produit fluorescent. La hauteur h5 du liquide dans les manches 5 est légèrement supérieure à celle h2 (La figure 1) de la solution algale dans le bassin, afin d'assurer une pression hydrostatique différentielle (h5 - h2) qui maintient la forme cylindrique sans contrainte sur la paroi souple des manches 5. La hauteur du support de manches au niveau de la solution algale résulte de l'équilibre entre de la poussée d'Archimède et le poids porté des plaques à trous et de la partie des manches non immergées.
Les manches sont avantageusement remplies d'eau jusqu'au manchon 10. Ceci permet que la vitesse de propagation de la lumière dans la manche s'effectue essentiellement dans l'eau sans discontinuité de la transmission. Cette transmission admet alors la qualité d'une transmission par fibre optique.
De même, le fait de ne pas laisser d'air dans la manche permet d'éviter la formation de buées sur la surface interne des parois, qui pourrait faire barrage à la lumière.
Les manches 5 sont en contact, par leur paroi extérieure, avec la solution algale 2 qui remplit le bassin.
Afin d'optimiser le caractère de « puit de lumière » de la manche, il est avantageux d'adjoindre au manchon un concentrateur optique 104 pour concentrer la lumière vers l'intérieur de la manche. Ainsi, on obtient une augmentation de la luminosité à l'intérieur des manches 5. A cet effet et tel que représenté en figure 6, le manchon 10 peut comporter un corps 101 maintenant une lentille de Fresnel 104. Le manchon peut être fermé de manière étanche par un couvercle 102 translucide, voire transparent, qui lui aussi peut inclure un concentrateur optique.
Avantageusement, le manchon peut comporter une valve 103 pour l'admission du liquide dans la manche, lors du remplissage de la manche par un liquide neutre. Cette valve est alors préférentiellement ménagée sur le couvercle 102 du manchon.
Tel que représenté en figure 9, le bassin 3 peut comporter plusieurs dispositifs d'exposition à la lumière conformes à l'invention et reliés entre eux au moyen de bouées 8. Il peut alors être prévu des flotteurs gonflables complémentaires espacés régulièrement et transversalement à la structure principale. Ils permettent alors de supporter une charge ponctuelle importante (neige ou outils de maintenance) sans déformation rémanente de la surface. Avantageusement, le dispositif d'exposition à la lumière peut comporter en outre des moyens d'arrimage et/ou d'ancrage (non représentés sur les figures). En effet, du fait de la flottabilité positive du dispositif, il n'est pas nécessaire de le fixer à la surface du bassin du PBR comme cela était nécessaire dans l'art antérieur. Ainsi, dans le cas où il est souhaité de positionner le dispositif d'exposition à la lumière à un endroit précis du bassin, ou bien dans le cas où il y a plusieurs dispositifs d'exposition à la lumière qui pourraient s'entrechoquer, il est souhaitable soit de les arrimer à un point fixe à l'extérieur du bassin, soit de les ancrer au fond du bassin.
Le bassin peut être de forme carrée ou rectangulaire comme illustré sur la figure 2, ou de forme cylindrique à section droite circulaire (non représenté). Le bassin peut être aérien comme illustré sur la figure 1, auquel cas des hublots 12 peuvent être prévus dans les parois pour compléter l'exposition à la lumière de la solution algale 2. Le bassin 3 peut aussi être semi-enterré ou enterré. Le bassin peut également être réalisé en éléments préfabriqués en usine et assemblés sur site avec un revêtement d'étanchéité (liner) du type utilisé dans les piscines.
La section transversale verticale 13 du bassin peut être rectangulaire comme illustré sur la figure 4, avec un toit plat. En variante, comme illustré sur la figure 5, la section verticale 14 peut présenter une partie inférieure de forme trapézoïdale.
Dans le cas d'un bassin aérien ou semi-enterré, les parois peuvent aussi être réalisées en une membrane étanche transparente, en particulier flexible, contribuant à l'exposition de la solution algale à la lumière.
Une conduite 25 d'extraction de la solution algale est prévue en partie supérieure du bassin, afin de bénéficier de la concentration plus importante en algues. Après extraction et filtration, le retour de l'eau est assuré en partie basse par une conduite 26. Les nutriments pour le développement des algues peuvent être injectés dans l'eau de retour. Le procédé d'extraction de la biomasse dans la solution algale des photo-bioréacteurs est continu et, comme il ne nécessite pas un stockage intermédiaire dans des réservoirs de ce fait, il n'est pas nécessaire de prévoir l'ultrafiltration avec des membranes pour éviter le développement intempestif des algues dans les réservoirs.
Afin d'optimiser les réactions de photosynthèse, le photo-bioréacteur selon l'invention peut prévoir un système de filtration des longueurs d'onde de la lumière.
Toujours dans cet objectif, le photo-bioréacteur peut aussi prévoir des brises-soleil pour réduire l'intensité lumineuse des rayons incidents à la surface du bassin. Le matériau des lentilles externe peut être coloré ou photochromique pour limiter l'intensité lumineuse captée.
De même, le photo-bioréacteur peut aussi prévoir des moyens d'éclairage artificiels tels que des diodes électroluminescentes.
De manière à augmenter la surface de captation du rayonnement incident et de manière également à augmenter l'intensité lumineuse lorsque l'azimut et l'angle des rayons du soleil sont faibles, le photo-bioréacteur peut comprendre en outre des réflecteurs orientables disposés en périphérie dudit photo-bioréacteur.
Le photo-bioréacteur selon l'invention peut prévoir des moyens de vidange d'une manche en vue de son remplacement et la mise en place d'une autre manche.
La vidange du bassin est possible sans le démontage des manches, auquel cas les manches formeront une multitude de « poteaux » rigidifiés par l'augmentation importante de la pression statique à l'intérieur et en partie inférieure des manches.
La manche que l'on souhaite retirer est reliée, par son extrémité supérieure, à une conduite branchée à l'entrée d'un moyen d'aspiration du liquide situé à l'intérieur de la manche. Le moyen d'aspiration est constitué généralement par une pompe. La pression externe exercée par la solution algale comprime la manche qui s'aplatit et qui, après déconnexion de la conduite d'aspiration, est retirée du bassin.
Un dispositif de remplacement des manches, par enroulement, est prévu au-dessus du bassin. Ce dispositif comprend un tambour d'enroulement rotatif monté mobile en translation au-dessus des cellules du bassin (par exemple sur un portique mobile), tout en étant supporté par un rail ou une gatte. Des organes de nettoyage, notamment des brosses rotatives, sont prévus pour se déplacer en translation avec le tambour et pour déterminer un interstice de passage vertical pour la manche aplatie qui est nettoyée par ces brosses lorsqu'elle est retirée de la solution algale. Le dispositif permet, par déroulement, de mettre en place une nouvelle manche aplatie dans la solution algale en remplacement de celle qui a été retirée.
Le PBR comporte, en partie inférieure du bassin, des moyens de distribution d'un gaz sous pression, en particulier de dioxyde de carbone (C02) mélangé ou non avec de l'air favorable au développement des algues, et assurant l'agitation de la solution algale. Les moyens de distribution sont constitués par des rampes permettant d'insuffler le gaz, comme illustré par des flèches F, dans les espaces compris entre les manches 5. Les moyens de distribution 27 sont raccordés à la sortie d'un surpresseur 28, rotatif, à piston ou à vis, par une conduite 29. La distribution du dioxyde de carbone (C02) assure l'agitation et l'homogénéité de la solution algale dans le bassin 9.
Le fait que le dispositif qui porte les manches flotte à une distance de la surface du bassin (au moyen de bouées qui surélèvent le dispositif par exemple) permet aux gaz de s'échapper aisément.
Il est possible de capter et de recycler une partie des gaz qui s'échappe de la partie supérieure du bassin afin de mieux épuiser le dioxyde de carbone (C02). Pour cela, le PBR comporte en outre des moyens de capture de gaz 30 formés par une conduite débouchant en partie haute du bassin 9, au-dessus de la solution algale, dans le ciel gazeux surmontant cette solution. Ces moyens de capture sont reliés à l'aspiration d'un ventilateur 31 qui refoule les gaz dans une conduite 32, notamment vers l'atmosphère. Un recyclage d'une partie de ces gaz peut être prévu grâce à un piquage 33 sur la conduite 32, ce piquage étant relié à l'aspiration du surpresseur 28.
Le bassin 3 est calorifugé afin de réduire les déperditions calorifiques. Une régulation de la température de la solution algale est avantageusement prévue à l'aide d'un dispositif de réchauffage et/ou de refroidissement (non représenté) de l'eau introduite par la conduite 26 dans le bassin après filtration, ce qui permet de maintenir des conditions optimales de croissance des algues et micro-algues.
Parmi les dispositifs de réchauffage connus, on peut citer les planchers chauffant alimentés en eau chaude à basse et moyenne température, le barbotage avec des buées saturées ou des gaz de combustion chargés en C02, les échangeurs externes à plaques, tubulaires ou spiralés, les résistances électriques externes autorégulées ou immergées.
L'isolation thermique est également un équipement complémentaire pouvant être implémentée avec des parois doubles pour les supports de manches.
Concernant maintenant le procédé de démarrage d'un photo- bioréacteur conforme à l'invention, il convient en premier lieu de procéder au montage d'au moins un dispositif d'exposition à la lumière. Ce montage s'effectue préférentiellement en cale sèche dans le bassin, mais peut aussi s'effectuer à l'extérieur du bassin. Une fois le montage réalisé, c'est-à-dire, une fois que les manches sont insérées dans leur support au moyen de leur manchon, il convient de positionner un ou plusieurs dispositifs d'exposition à la lumière au fond du bassin vide du photo-bioréacteur. Il suffit ensuite de remplir le bassin avec un liquide pour la production d'une solution algale. En d'autres termes, lorsque l'ensemble du dispositif est monté, la mise en eau permet à la structure du PBR de s'élever progressivement en relation avec le remplissage du bassin jusqu'à atteindre son niveau opérationnel.
A l'issue du remplissage du bassin, on peut dès lors remplir les manches avec un liquide neutre pour la solution algale, afin de ne pas altérer la solution algale en cas de rupture accidentelle de la manche.
Avantageusement, lorsque les manches sont immergées dans la solution algale, la hauteur de liquide (h5) dans les manches est supérieure à celle (h2) de la solution algale afin d'assurer une pression hydrostatique différentielle pour le maintien de la forme de la manche sans contrainte.
Ainsi, le maintien de la forme cylindrique et verticale des manches souples est assuré par la pression statique différentielle entre le liquide à l'intérieur des manches et le liquide dans le bassin dont le niveau est légèrement inférieur à celui des manches (en relation avec le principe de Torricelli). Cette différence de pression est constante sur toute la hauteur des manches, et ce, quelle que soit la hauteur immergée. Ceci limite considérablement les contraintes de pression interne sur le matériau souple des manches.
La hauteur immergée des manches est en effet assujettie à la poussée d'Archimède qui s'exerce sur la structure flottante du support des manches.
Cette force ascendante assure la différence de niveau entre le liquide dans les manches et le niveau haut du bassin. C'est la combinaison et l'équilibre entre le principe d'Archimède et le principe de Torricelli qui permettent en résumé le maintien des manches.
Afin de stabiliser l'ensemble des dispositifs d'exposition à la lumière, on peut procéder à l'arrimage et/ou à l'ancrage des dispositifs d'exposition entre eux ou en périphérie du bassin.
Enfin, on peut procéder à une étape d'ensemencement du liquide pour la production d'une solution algale, avec une souche de micro algues.
On notera que l'intérêt de la flottabilité du dispositif d'exposition à la lumière s'exprime tout particulièrement dans la mise en œuvre d'un photo- bioréacteur conforme à l'un des modes de réalisation décrit précédemment.
En effet, avec les dispositifs de l'art antérieur, il était nécessaire de fixer solidement le support au sol environnant le bassin puis de monter les éléments un à un au-dessus du bassin. Dès lors, l'assemblage, le montage et la mise en œuvre des éléments au-dessus du bassin était problématique et nécessitait des engins de transport et de levage adaptés (par exemple montés sur une barge). De plus, la sécurité du personnel pesait lourdement sur les cadences et les infrastructures. En cas de chute d'une partie de l'équipement dans le bassin, la mise en œuvre était d'autant retardée.
Ainsi, le caractère flottant du dispositif d'exposition à la lumière permet de simplifier et de sécuriser l'utilisation du dispositif d'exposition à la lumière, et ce, à moindre coût.
Il est également à noter que la flottabilité des dispositifs d'exposition à la lumière permet une grande modularité. En effet, compte tenu du fait qu'il n'est pas nécessaire de les fixer en périphérie du bassin, il est possible d'en ajouter, d'en retirer ou d'en changer pendant que le bassin est en fonctionnement.
En d'autres termes, ces dispositifs d'exposition à la lumière sont très autonomes en termes d'utilisation (installation, durée de vie).
De plus, la position des manches du dispositif d'exposition à la lumière par rapport à la surface de l'eau est toujours la même quelle que soient les variations du niveau d'eau dans le bassin.
Aucune structure support avec pieds posés au sol n'est nécessaire.
Il est possible de monter le dispositif d'exposition à la lumière en dehors du bassin et de le translater sur le bassin rempli ou non rempli.
Il n'y a que peu de risque de dégâts liés à une modification du niveau d'eau dans le bassin.
Le montage est rapide et ne nécessite pas de moyen de levage lourd .
Les dimensions hors tout d'un tel dispositif démonté est au gabarit routier, soit d'un encombrement de 2,5 m au maximum.
Il est possible d'utiliser des matériaux recyclés pour la structure et les flotteurs.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'exposition à la lumière d'une solution algale, pour un photo- bioréacteur, ce dispositif d'exposition comprenant :
un support plan (6, 61, 62) comprenant au moins une ouverture (610, 620) apte à accueillir au moins une manche (5),
- la manche (5) étant en matériau souple, étanche aux liquides et translucide, voire transparent, et comprenant une extrémité ouverte apte à accueillir un manchon (10),
le manchon étant translucide, voire transparent, et agencé pour obturer et fixer ladite manche au support,
caractérisé en ce que le dispositif d'exposition admet une flottabilité positive dans l'eau, en ce sens que le poids réel du dispositif d'exposition à la lumière est inférieur à la poussée Archimède induite lors de son immersion.
2. Dispositif d'exposition selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une bouée de flottaison (8) pour le support plan (6), disposée en dessous dudit support de manière à définir un espace libre entre ledit support et le niveau de la solution algale.
3. Dispositif d'exposition selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le support plan (6) admet une flottabilité positive dans l'eau, en ce sens que le poids réel du support plan est inférieur à la poussée d'Archimède induite lors de son immersion.
4. Dispositif d'exposition selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le support est une ossature (61) constituée d'un matériau dont la densité est inférieure à 2, de préférence inférieure à 1.
5. Dispositif d'exposition selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le support est une plaque perforée (62) constituée d'un matériau dont la densité est inférieure à 2, de préférence inférieure à 1.
6. Dispositif d'exposition selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'au moins un manchon comporte un concentrateur optique (104) agencé pour concentrer la lumière vers l'intérieur de l'au moins une manche.
7. Dispositif d'exposition selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'au moins un manchon comporte une valve (103) pour l'admission d'un liquide dans la manche.
8. Dispositif d'exposition selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'arrimage et/ou d'ancrage.
9. Photo-bioréacteur pour la production d'une solution algale comprenant un bassin (3) et au moins un dispositif d'exposition à la lumière, ce dispositif d'exposition comprenant :
un support plan (6, 61, 62) comprenant au moins une ouverture (610, 620) apte à accueillir au moins une manche (5),
la manche (5) étant en matériau souple, étanche aux liquides et translucide, voire transparent, et comprenant une extrémité ouverte apte à accueillir un manchon (10),
le manchon étant translucide, voire transparent, et agencé pour obturer et fixer ladite manche au support,
caractérisé en ce que l'au moins un dispositif d'exposition est un dispositif d'exposition à la lumière selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
10. Photo-bioréacteur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs dispositifs d'exposition assemblés entre eux de manière à augmenter la surface d'exposition de la solution algale à la lumière.
11. Photo-bioréacteur selon l'une quelconque des revendications 9 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen d'aspiration agencé pour aspirer le liquide contenu dans l'au moins une manche.
12. Photo-bioréacteur selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de remplacement de l'au moins une manche, ce dispositif de remplacement comprenant un tambour et étant agencé pour enrouler l'au moins une manche sur le tambour et/ou pour dérouler l'au moins une manche à partir de ce tambour.
13. Photo-bioréacteur selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend en partie inférieure du bassin (3), des moyens de distribution (27) d'un gaz sous pression, en particulier du dioxyde de carbone (C02) mélangé ou non avec de l'air, assurant l'agitation de la solution algale.
14. Photo-bioréacteur selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des réflecteurs orientables disposés en périphérie dudit photo-bioréacteur, de manière à augmenter la surface de captation et l'intensité des rayons lumineux.
15. Procédé de mise en œuvre d'un photo-bioréacteur conforme à l'une quelconque des revendications 9 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend successivement :
- une étape de montage d'au moins un dispositif d'exposition à la lumière conforme à l'une des revendications 1 à 8,
- une étape d'installation d'au moins un dispositif d'exposition dans le bassin vide du photo-bioréacteur,
- une étape de remplissage du bassin avec un liquide pour la production d'une solution algale.
16. Procédé de mise en oeuvre d'un photo-bioréacteur selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, à l'issue du remplissage du bassin, une étape de remplissage de l'au moins une manche du au moins un dispositif d'exposition avec un liquide neutre pour la solution algale, afin de ne pas altérer la solution algale en cas de rupture accidentelle de la manche.
17. Procédé de mise en oeuvre d'un photo-bioréacteur selon la revendication 16, caractérisé en ce que, lorsque la au moins une manche est immergée dans la solution algale, la hauteur de liquide (h5) dans les manches est supérieure à celle (h2) de la solution algale afin d'assurer une pression hydrostatique différentielle pour le maintien de la forme de la manche sans contrainte.
18. Procédé de mise en oeuvre d'un photo-bioréacteur selon la revendication 16 ou 17, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, à l'issue du remplissage de l'au moins une manche, une étape d'arrimage et/ou d'ancrage du au moins un dispositif d'exposition .
19. Procédé de mise en oeuvre d'un photo-bioréacteur selon l'une quelconque des revendications 15 à 18, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, à l'issue du remplissage du bassin, une étape d'ensemencement du liquide pour la production d'une solution algale avec une souche de micro algues.
EP17780348.3A 2016-09-27 2017-09-26 Dispositif d'exposition a la lumière d'une solution algale, photobioreacteur et procedé de mise en oeuvre associés Pending EP3519552A1 (fr)

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