EP3538637A1 - Système d'illumination d'un dispositif, notamment d'un élément décoratif, d'une façade d'un bâtiment ou d'un élément de mobilier urbain par bioluminescence - Google Patents
Système d'illumination d'un dispositif, notamment d'un élément décoratif, d'une façade d'un bâtiment ou d'un élément de mobilier urbain par bioluminescenceInfo
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- EP3538637A1 EP3538637A1 EP17804253.7A EP17804253A EP3538637A1 EP 3538637 A1 EP3538637 A1 EP 3538637A1 EP 17804253 A EP17804253 A EP 17804253A EP 3538637 A1 EP3538637 A1 EP 3538637A1
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- C12M23/06—Tubular
Abstract
La présente invention concerne un système d'illumination d'un dispositif, notamment d'un élément décoratif, d'une façade d'un bâtiment ou d'un élément de mobilier urbain par bioluminescence comportant un bioréacteur (1) pourvu d'une arrivée d'un milieu de culture et d'au moins un moyen de prélèvement d'une partie de la biomasse, ainsi que des piquages pour le raccordement d'un circuit de circulation (5) d'un milieu de culture dans lequel évoluent des micro- organismes bioluminescents, ledit circuit de circulation (5) comprenant un ensemble de conduits au moins partiellement transparents et au moins une pompe de circulation (6) et un pompe à air (13), ledit système comportant un circuit de pilotage (11) de l'alimentation en milieu de culture, de l'apport de biomasse et de retrait de biomasse et au moins un capteur de l'état biologique des micro-organismes circulants.
Description
SYSTEME D'ILLUMINATION D'UN DISPOSITIF, NOTAMMENT D'UN ELEMENT DECORATIF, D'UNE FAÇADE D'UN BATIMENT OU D'UN ELEMENT DE
MOBILIER URBAIN PAR BIOLUMINESCENCE
Domaine de 1 ' invention
La présente invention concerne le domaine de l'illumination par bioluminescence d'un dispositif, notamment d'un élément décoratif, d'une façade d'un bâtiment ou d'un élément de mobilier urbain.
La bioluminescence est une réaction chimique régie par un gène, qui permet à certains organismes vivants de produire de la lumière, notamment des organismes marins, algues, méduses, calamars, poissons, ou encore crevettes.
De tels gènes codant pour la bioluminescence, par exemple, chez des bactéries symbiotiques du calamar peuvent être insérés dans des bactéries communes, non pathogènes et non toxiques, encapsulées dans un contenant, avec une solution nutritive comprenant tout ce dont elles ont besoin pour vivre et produire leur lumière.
Ce phénomène a été analysé à des fins de recherche scientifique et commence à trouver des applications industrielles, pour réaliser des équipements bioluminescents émettant pendant des durées relativement brèves de la lumière, de faible intensité.
Etat de la technique
On connaît la demande de brevet US2013045531 décrivant un ensemble d'éclairage comprenant un bioréacteur immergeable et un guide d ' onde optique ayant une structure cylindrique avec un indice de réfraction connu pour provoquer la propagation de la lumière longitudinalement à travers une longueur du guide d'onde optique selon un angle de réflexion.
Un milieu de bioréacteur ayant un indice de réfraction différent de l'indice de réfraction connu produit la lumière dans le guide d'onde optique pour diffuser la structure diffusant à travers la surface intérieure du guide d'onde optique et dans le milieu à un autre angle d'incidence.
On connaît en particulier dans l'état de la technique la demande de brevet internationale WO2012125953 décrivant des systèmes d'émission de lumière à partir d'algues. En préparant les algues et en appliquant une onde électromagnétique appropriée, les algues émettent de la lumière. Les algues luminescentes préparées peuvent également être incorporées dans des panneaux luminescents, qui peuvent ensuite être intégrés dans une diversité d'applications. Dans certains modes de réalisation, ces panneaux luminescents peuvent être commandés individuellement et à distance, permettant une facilité d'utilisation et d'installation. De plus, ces panneaux luminescents consomment également une quantité relativement faible d'énergie par rapport à des sources de lumière classiques, créant une possibilité d'économiser des quantités significatives d'énergie et des coûts associés à l'énergie.
Le brevet américain US5554035 se rapporte à un appareil destiné à la visualisation de la luminescence des algues dinoflagellées , incorporées dans une solution aqueuse contenue dans un récipient en forme d'ampoule de lumière translucide .
Inconvénients de l'art antérieur
Les solutions de l'art antérieur présentent plusieurs inconvénients. Elles sont adaptées à des applications éphémères, produisant un éclairage par bioluminescence pendant une période de quelques minutes à
quelques heures. La biomasse n'est pas stable, en raison de la croissance des microorganismes bioluminescents, et l'évolution de la densité et le vieillissement des microorganismes conduit plus ou moins rapidement à la mort de la majorité des micro- organismes et donc l'arrêt de la bioluminescence.
Par ailleurs, l'activité de bioluminescence résulte dans les solutions de l'état de la technique d'un stress qui vient perturber la survie des microorganismes, en raison de l'agitation de la biomasse observée dans les solutions de l'art antérieur.
En particulier, ces solutions ne sont pas adaptées pour l'illumination de grandes surfaces exposées aux intempéries, notamment des façades.
Solution apportée par l'invention
Afin de remédier à ces inconvénients, la présente invention concerne un système d'illumination d'un dispositif, notamment d'un élément décoratif, d'une façade d'un bâtiment, ou d'un élément de mobilier urbain par bioluminescence produite, caractérisé en ce qu'il comporte un bioréacteur comportant une arrivée d'un milieu de culture et au moins un moyen de prélèvement d'une partie de la biomasse, ainsi que des piquages pour le raccordement d'un circuit de circulation d'un milieu de culture chargé de micro-organismes bioluminescents (c'est-à-dire un milieu dans lequel évoluent les micro-organismes), ledit circuit de circulation comprenant un ensemble de conduits au moins partiellement transparents et au moins une pompe de circulation et une pompe à air, ledit système comportant un circuit de pilotage de l'alimentation en milieu de culture, de l'apport de biomasse et de retrait de biomasse et au moins un capteur de l'état biologique des micro-organismes circulants.
Avantageusement, ledit système comprend d'autres capteurs permettant d'intervenir de manière optimisée sur les conditions de culture de la biomasse, tels qu'un capteur du niveau d'oxygénation de la biomasse, un capteur de température, un capteur de turbidité du milieu et un capteur d'irradiance de la biomasse.
Description détaillée de l'invention
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant aux dessins annexés concernant un exemple non limitatif de réalisation où :
- la figure 1 représente une vue schématique d'un système selon l'invention.
L'installation comprend une cuve de réaction (ou bioréacteur) (1) contenant la biomasse et le milieu de culture ainsi qu'un agitateur.
La cuve de réaction ( 1 ) reçoit des compléments de biomasse provenant d'un réservoir (2) et de milieu de culture liquide provenant d'un réservoir (3).
La cuve de réaction comprend des moyens de brassage et d'oxygénation mis en fonction de manière périodique, par exemple avec un rapport temporel d'activation/désactivation inférieur à 10% de manière à limiter le stress des microorganismes ainsi que la consommation électrique.
Le prélèvement de biomasse en excès dans la cuve de réaction (1) est transféré dans un contenant annexe (4). La biomasse contenue dans ledit contenant (4) peut être récupérée pour la production de biomatériaux, d'énergie ou de chaleur. Ce contenant peut être un équipement de traitement de la biomasse, par exemple par incinération.
Par ailleurs, le système peut comporter des moyens de récupération de molécules d'intérêts. Cette étape de récupération peut concerner des protéines et/ou des anticorps monoclonaux sécrétés par les microorganismes, et séparés de la biomasse par filtration.
La cuve de réaction ( 1 ) peut présenter des piquages pour le raccordement d'un circuit de circulation (5) du milieu de culture liquide contenant la biomasse.
Le circuit de circulation (5) est transparent dans la zone d'illumination. Une pompe de circulation (6) assure le débit de biomasse dans le circuit de circulation (5).
Dans l'exemple de mise en oeuvre de l'invention telle que représentée à la figure 1, ce circuit est formé par un ensemble tubulaire. Le diamètre d'un tel système tubulaire peut être adapté au type de dispositif. La section peut par exemple être comprise entre 10 et 100 millimètres, mais peut être plus petite, par exemple de 5 millimètres ou plus grande, par exemple de 150, 300, 500 millimètres, voire plus. Le circuit de circulation peut aussi prend d'autres formes. Le conduit peut avoir une section circulaire, rectangulaire, triangulaire ou toute autre forme de son choix. De plus, le circuit de circulation peut consister en deux plaques fermées à leurs extrémités entre lesquelles circule la solution contenant la biomasse. Ainsi, au sens de l'invention, on entend par « conduit », un ensemble de cloisons délimitant le passage de la solution contenant la biomasse quel qu'en soit la forme (tuyau, conduit, passage entre deux plaques...)
Le circuit de circulation (5) est étanche aux fluides et peut être perméable au gaz. Il comprend une pompe à air (13) afin d'assurer l'oxygénation du milieu de culture. L'apport en oxygène est en effet indispensable à l'émission de bioluminescence par les microorganismes. L'apport en oxygène peut être intermittent ou continu pendant les phases de croissance de la biomasse mais doit être continu pendant les
périodes pendant lesquelles l'émission de bioluminescence est requise .
Dans un mode de réalisation particulier, ledit circuit de circulation est étanche aux fluides et perméable au gaz, au moins partiellement, pour permettre les échanges de C02 avec l'air ambiant. Dans ce mode de réalisation, la biomasse est préférentiellement constituée de cyanobactéries , de sorte à capter le C02 ambiant. Un circuit électronique (appelé également système de commande) (11) pilote le fonctionnement de :
- la vanne (7) contrôlant le débit dans le circuit de circulation (5),
- la vanne (8) contrôlant l'ajout dans la cuve de réaction (1) de milieu de culture provenant du réservoir (3),
- la vanne (9) contrôlant l'ajout dans la cuve de réaction (1) de biomasse provenant du réservoir (2),
- la vanne (10) contrôlant l'évacuation de biomasse de la cuve de réaction ( 1 ) ,
- la vanne (14) contrôlant le débit d'air.
Le système de commande (11) peut en outre être configuré pour commander automatiquement au moins une variable du processus. Par exemple, le système de commande (11) peut être configuré pour commander automatiquement au moins un paramètre parmi la température à l'intérieur du bioréacteur, la pression dans le bioréacteur, le niveau de pH, le débit de nutriments, la culture de l'écoulement du milieu, l'écoulement de gaz, le flux de gaz de dioxyde de carbone, le débit d'oxygène gazeux, la fourniture de lumière, etc. Pour assurer une bonne gestion de ces différents paramètres, le système peut être doté de capteurs permettant de suivre des différents paramètres .
Ce système de commande (11) reçoit notamment des signaux provenant d'un capteur de densité optique (12) disposé
sur le circuit de circulation (5) et/ou des capteurs physicochimiques .
Un avantage majeur du bioréacteur selon l'invention réside dans le fait qu'il permet une culture en continu ou semi-continue. La bonne gestion de la culture à long terme est avantageusement assurée grâce à différents capteurs.
Une culture de bactéries bioluminescentes en mode « batch » n'a pas d'effluent, avec pour conséquence une accumulation exponentielle des bactéries dans le réacteur jusqu'à épuisement des nutriments. Les bactéries atteignent alors une phase de croissance stationnaire qui s'accompagne de changements métaboliques empêchant l'expression des protéines d'intérêt (notamment des protéines bioluminescentes). Il y a aussi accumulation des produits métaboliques sécrétés par les bactéries ; ces produits modifient le milieu et peuvent empêcher la réaction de bioluminescence.
Au contraire, dans d'une culture en mode « continu » ou « semi-continu », il y a des entrées/sorties : on peut ajouter du milieu frais et retirer du milieu « usagé » en continu ou à des intervalles donnés en fonction de l'état du système. Cette configuration permet d'assurer la disponibilité constante des nutriments et la stabilité de la composition chimique du milieu de culture dans le réacteur. En ajustant le taux de dilution (grâce à un système des pompes et de vannes) au taux de croissance des bactéries, on peut garder la turbidité du milieu à un niveau constant. En d'autres termes, il est possible de maintenir un nombre constant des bactéries dans le réacteur et de garder la population de la biomasse dans un état métabolique déterminé (phase exponentielle stable). Dans le cas présent, l'état préféré est celui dans lequel le niveau de bioluminescence est maximal.
Pour une bonne gestion de la culture à l'intérieur du bioréacteur, on peut suivre la croissance des microorganismes, le pH, la température, la quantité d'oxygène dissout, etc.. Si le réacteur n'a pas de capteur, l'utilisateur doit faire des
prélèvements manuels ponctuellement pour extraire les informations d'intérêt. Cette pratique pose des risques et présente des inconvénients considérables. En effet, à chaque prélèvement il y a un risque de contamination de la culture, de modification du volume total de la culture et le suivi est très chronophage. Par contre, si le réacteur dispose de capteurs, l'utilisateur n'a plus besoin de faire des prélèvements lors de l'expérience et certains aspects du bioprocédé peuvent être automatisés avec l'aide d'un système de commande et quelques actuateurs .
Ainsi dans un mode de réalisation préféré, différents capteurs peuvent être associés au bioréacteur du système d'illumination selon l'invention afin de contrôler la biomasse et assurer une bonne qualité de luminescence, parmi lesquels : un capteur du niveau d'oxygénation de la biomasse. En fonction du niveau d'oxygénation du milieu, l'aération peut être activée ou interrompue. L'interruption de l'aération peut, par exemple, être obtenue via une valve à pincement qui peut être munie d'un solénoïde qui permet de couper l'aération en faisant pression sur le tuyau à air.
- un capteur de température. Il peut s'agir d'un capteur externe permettant de suivre la température ambiante à l'extérieur du réacteur et d'anticiper sa répercussion sur la température intérieure afin de maintenir une température appropriée à l'intérieur du bioréacteur. Il est également possible d'immerger un capteur de température dans la culture avec une sonde spéciale .
- un capteur de turbidité du milieu (ou de densité optique tel que décrit précédemment). Il peut s'agir d'un ensemble de photodiodes constitué d'un émetteur et d'un récepteur, tous deux à 940 nm. Ce type de capteur permet d'évaluer la croissance de la biomasse en utilisant la lumière infrarouge provenant du l'émetteur. Plus il y a des microorganismes, plus le milieu
devient trouble et moins lumière infrarouge peux traverser le milieu jusqu'au récepteur. Avec une calibration initiale, on peut avoir une relation entre la valeur obtenue grâce à ce capteur et la valeur obtenue en utilisant un spectrophotomètre conventionnel pour calculer le nombre de bactéries dans le milieu . un capteur d'irradiance (ou capteur de luminescence). Ce capteur peut être de type convertisseur lumière-fréquence. Il est utilisé pour mesurer la bioluminescence qui passe à travers le bioréacteur. Le capteur émet une fréquence qui est directement proportionnelle à l'intensité de la lumière qui frappe le détecteur. Cette fréquence (Hz) peut être traduite en unités radiométriques d'irradiance (μνΐ/απι2) en utilisant les spécifications techniques du capteur.
Dans un système automatisé, les capteurs peuvent être connectés à une interface permettant l'affichage des données. Ces capteurs sont reliés à un système de commande tel que décrit précédemment, qui contrôle les différentes vannes et pompes du bioréacteur en temps réel.
Dans un mode de réalisation préféré, le système d'illumination selon l'invention comprend un ensemble de capteurs, à savoir un capteur du niveau d'oxygénation de la biomasse, un capteur de température, un capteur de turbidité du milieu et un capteur d'irradiance. Dans ce système, les capteurs peuvent être reliés au système de commande pour un pilotage automatisé des différentes vannes et pompes du circuit de pilotage .
Pour un fonctionnement optimisé du bioréacteur, il faut veiller au bon placement des capteurs. Le capteur de température doit être placé loin des sources de chaleur pour éviter une fausse lecture. Les photodiodes LED infrarouges
doivent être placées parfaitement en face l'une de l'autre et les tuyaux à l'intérieur du réacteur ne doivent pas bloquer la trajectoire entre les LEDs. Le capteur d'irradiance doit être placé dans un endroit pertinent où la lumière produite par le réacteur peut arriver au détecteur. Finalement, le design d'un socle qui permet la fixation du l'emplacement des capteurs est conseillé, car il ne faut absolument pas bouger les capteurs de turbidité et d'irradiance une fois que le système est calibré. Ainsi, le système selon l'invention permet de générer une bioluminescence stable dans le temps et de bonne qualité. Alors que la durée de luminescence dans un système en batch est d'environ 24 heures, le système de bioréacteur selon l'invention permet de maintenir la bioluminescence pendant une durée supérieure à 2 semaines et plus généralement une durée illimitée. Les capteurs jouent un rôle majeur dans ce système puisqu'ils permettent une gestion optimisée de la biomasse grâce au maintien en permanence de conditions optimales pour la croissance des microorganismes et la bioluminescence.
La biomasse bioluminescente est constituée par une biomasse naturellement bioluminescente ou, de préférence, par une biomasse génétiquement modifiée pour produire de la bioluminescence, tel que :
- des organismes photosynthétiques (algues, microalgues, cyanobactéries )
- microorganismes (bactéries, ...)
- organismes cellulaire (levures, ...)
- substances actives biologiques
- une combinaison composée de plusieurs des exemples cités ci-dessus (co-culture) .
Le milieu de culture est constitué, à titre d'exemple non limitatif d'une composition comprenant :
500mL de milieu de culture à pH7 modifié contenant 10 g/L de glucose,
- 13,6 g/L de KH2P04,
- 0.02g/L de CACL2 ,
- 0.2g/L de MgS07H20,
- 2g/L de (NH4)2S04,
- milieu LB.
Les milieux de culture peuvent être de l'eau douce, des milieux de type estuarien ou saumâtre ou spécifique d'espèces bactériennes marines, de plancton ou d'algues et / ou d'autres micro-organismes. Les milieux de culture peuvent comprendre des sels tels que le chlorure de sodium et / ou du sulfate de magnésium, macronutriments tels que l'azote et des composés contenant du phosphore, oligo-éléments tels que des métaux-traces, par exemple, le fer et composés contenant du molybdène et / ou des vitamines telles que la vitamine B. sub.12. Les milieux de culture peuvent être modifiés pour tenir compte de diverses espèces et / ou d'optimiser les différentes caractéristiques des espèces cultivées, telles que le taux de croissance, la production de protéines, la production de lipides et de production d'hydrate de carbone. L'homme du métier saura choisir un milieu de culture adapté en fonction du ou des microorganisme ( s ) constituant la biomasse.
Dans un mode de réalisation particulier, la biomasse est constituée de cyanobactéries . Ces microorganismes ont la particularité de capter le C02 et d'émettre de l'02, et de dépolluer certaines eaux sales. Ainsi, en plus de l'effet bioluminescent, le dispositif peut avoir une action dépolluante .
Optionnellement , le système comprend des dopants optiquement actifs de type photoluminescents. Ces dopants sont selon une première variante constituée de microbilles incorporés dans la biomasse.
Ces matériaux sont constitués par une matrice polymérique dans laquelle sont incorporés un ou plusieurs types de composés organiques luminescents.
Dans le cas de combinaison de deux types de composés organiques luminescents, les composés présentent respectivement un spectre d'absorption et un spectre d'émission, et le spectre d'émission de l'un des deux types de composés organiques luminescents chevauche le spectre d'absorption de l'autre composé organique luminescent. Les deux spectres, correspondant à deux courbes d'intensité d'un rayonnement en fonction de la longueur d'onde, présentent une surface de recouvrement.
Les micro-billes sont par exemple constituées de nanoparticules d'un composé optiquement actif encapsulé dans une matrice polymérique en silicone, en éthylène-acétate de vinyle (EVA), polyoléfines polyméthacrylate de méthyle (PMMA) élastomère, polyuréthane, polyamide, éthylène tétrafluoroéthylène (ETFE), polytétrafluoroéthylène (PTFE).
Les nanoparticules sont par exemple des nanoparticules de silice, ou des composés organiques luminescents incorporés à l'intérieur de silice poreuse, soit greffées à la surface des nanoparticules.
Selon une alternative, les matériaux optiquement actifs sont incorporés dans une matrice polymérique du conduit de circulation de la biomasse.
Additionnellement , le conduit et/ou la biomasse peut comporter une charge diffusante, par exemple de la poudre de silice.
Selon une autre variante, au moins une des faces des conduits est réfléchissante, par exemple par dépôt d'un revêtement métallisé ; il peut s'agit de la face arrière des conduits .
Claims
Revendications
1 - Système d'illumination d'un dispositif, notamment d'un élément décoratif, d'une façade d'un bâtiment ou d'un élément de mobilier urbain par bioluminescence caractérisé en ce qu'il comporte un bioréacteur (1) comportant une arrivée d'un milieu de culture et au moins un moyen de prélèvement d'une partie de la biomasse, ainsi que des piquages pour le raccordement d'un circuit de circulation (5) du milieu de culture dans lequel évoluent des micro-organismes bioluminescents, ledit circuit de circulation (5) comprenant un ensemble de conduits au moins partiellement transparents et au moins une pompe de circulation (6) et une pompe à air (13), ledit système comportant un circuit de pilotage (11) de l'alimentation en milieu de culture, de l'apport de biomasse et de retrait de biomasse et au moins un capteur de l'état biologique des micro-organismes circulants.
2 - Système d'illumination selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit circuit de circulation (5) est étanche aux fluides et perméables au gaz, au moins partiellement .
3 - Système d'illumination selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un circuit électronique (11) pilote le fonctionnement de :
- la vanne (7) contrôlant le débit dans le circuit de circulation (5),
- la vanne (8) contrôlant l'ajout dans la cuve de réaction (1) de milieu de culture provenant du réservoir (3)
- la vanne (9) contrôlant l'ajout dans la cuve de réaction (1) de biomasse provenant du réservoir (2)
- la vanne (10) contrôlant l'évacuation de biomasse de la cuve de réaction ( 1 ) .
4 - Système d'illumination selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un système de commande configuré pour commander automatiquement au moins un paramètre parmi la température à 1 ' intérieur du bioréacteur, la pression dans le bioréacteur, le niveau de pH, le débit de nutriments, la culture de l'écoulement du milieu, l'écoulement de gaz, le flux de gaz de dioxyde de carbone, le débit d'oxygène gazeux, la fourniture de lumière. 5 — Système d'illumination selon l'une des revendications précédentes lequel comprend en outre un capteur du niveau d'oxygénation de la biomasse, un capteur de température, un capteur de turbidité du milieu et un capteur d ' irradiance .
6 - Système d'illumination selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la biomasse est constituée de micro-organismes génétiquement modifiés pour émettre de la bioluminescence.
7 - Système d'illumination selon la revendication 6 caractérisé en ce que lesdits micro-organismes sont des cyanobactéries . 8 - Système d'illumination selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce la biomasse en excès dans la cuve de réaction (1) est transférée dans un contenant annexe (4) en vue de son traitement. 9 - Système d'illumination selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de récupération de molécules d'intérêts.
10 - Système d'illumination selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte des dopants optiquement actifs. 11 - Système d'illumination selon la revendication
10 caractérisé en ce que lesdits dopants optiquement actifs sont incorporés dans la biomasse.
12 - Système d'illumination selon la revendication 10 caractérisé en ce que lesdits dopants optiquement actifs sont incorporés dans l'enveloppe dudit conduit.
13 - Système d'illumination selon l'une des revendications 1 à 11 caractérisé en ce qu'au moins une des faces des conduits est réfléchissante.
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2017
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