FR2643384A1 - Biophotoreacteur a eclairage interne pour fibres optiques - Google Patents

Abstract

Ce biophotoréacteur pour l'exploitation d'une activité photosynthétique est équipé d'un dispositif d'éclairage par fibres optiques. Ce dernier est constitué par au moins un élément d'éclairage 1 en forme de barreau, consistant en un fourreau 4 doté d'une multiplicité d'orifices 9 dans chacun desquels est fixée l'extrémité d'une fibre optique logée dans le fourreau et reliée, par son autre extrémité, à un générateur de lumière, des zones lumineuses étant ainsi formées sur la paroi extérieure du fourreau, distribuant la lumière en direction du milieu de photoréaction contenu dans la cuve du biophotoréacteur. On peut former des cônes d'éclairage à la périphérie du " barreau lumineux ", lesquels se croisent d'une manière régulière pour assurer un éclairage homogène. Dans le cas d'un matériel photosynthétique immobilisé dans un gel suivant une membrane biocatalytique, cette dernière est disposée de façon à entourer le barreau et l'on obtient une homogénéité d'éclairage de la membrane, sans " points de surchauffe " conduisant à un vieillissement prématuré de celle-ci.

Description

La présente invention concerne un biophotoréacteur éclairage interne par fibres optiques, ainsi que le dispositif d'éclairage proprement dit pouvant etre rapporté dans le biophotoréacteur.

On désigne ici par "biophotoréacteur", un appareillage dans lequel est conduite une "biophotoréaction", terme qui désigne l'ensemble des processus engendrés par l'activité métabolique d'un matériel photosynthétique (nécessitant de l'énergie lumineuse et appelé également biocatalyseur), et, notamment, des synthèses, dégradations, conversions, et autres.

Le matériel photosynthétique utilisable comprend les microorganismes (bactéries, cyanobactéries et microalgues), les cellules végétales et les organites cellulaires.

Les bactéries photosynthétiques sont les bactéries pourpres tRhodospJrfllacea et Chromatiacea) ou vertes (Chlorobiaceae et Chloroflexacese), qui sont des microorganismes phototrophiques ne produisant pas d'oxygène.

L'activité qui est la plus étudiée est celle des bactéries, libres ou immobilisées, appartenant & la famille des Rhodosplrlllaceae < Rhodopseudomonas capsulata, Rhodosplrlllum rubrum > , qui est la production d'hydrogène moléculaire < activité nitrogénaslque à partir de lumière et de sources de carbone bon marché). Cependant, l'application qui peut être envisagée a une échelle industrielle est la dépollution d'effluents ou d'eaux usées chargés en pollution organique. Dans ce domaine du traitement des eaux, certaines espèces < Rhodopseudomonas sphaerofdes) sont capables de réduire les nitrates en azote atmosphérique.

Les micro-algues sont des microorganismes photosynthétiques eucaryotes, * l'exception des algues bleues ou cyanobactéries, cellules procaryotes proches des bactéries. Outre leur valeur potentielle comme source de protéines lorsqu'elles sont cultivées en grande quantité, les micro-algues sont capables d'excréter une large gamme de mêtabolites secondaires, incluant acides organiques, acides aminés, peptides et polysaccharides. Elles combinent les avantages biotechnologiques des cellules microbiennes (culture simple, croissance relativement rapide, capacité d'excrétion des métAbolites) et des cellules végétales (capacité d'élaboration de biomolécules complexes à prix réduit, c'est-à-dire à partir de substrats organiques simples et de lumiere).Certaines micro-algues immobilisées sont utilisables dans la production d'hydrocarbures < Botryococcus braunli > , d'exopolysaccharides sulfatés < Porphyridium cruentum > , de glycérol (Dunaliella parva) ; d'autres, immobilisées ou non, sont applicables au traitement des eaux-usées, par exemple, Scenedesmus < élimination des ions ammonium et phosphate dans des effluents urbains secondaires) ;Chlorella, Scenedesmus Cextraction du cuivre) ; Scenedesmus obliquus,
Ankistrodermus braundf, Chlamydomonas reinhardtii Anacystis ni dul ans < élimination des nitrates et/ou des nitrites) d'autres encore présentent une activité de bioconversion
Nocardia < modification de stéroïdes) ; Rhôdotorula (hydrolyse d'esters de menthol) ; Chlorelles Anabaena (biotransformation d'acides aminés en acides a-cétoniques > .

Les cellules végétales possèdent d'importantes capacités de bioproduction, intéressant notamment les industries de la chimie fine (parfumerie, cosmétologie, armes alimentaires, phrmacie). La plupart des métabolites potentiellement intéressants s'accumulent dans la vacuole, et leur récupération se fait par extraction à partir de la biomasse. Pour l'utilisation de cellules immobilisées, l'excrétion des biomolécules est impérative.A ce propos, on peut citer l'excrétion de métabolites secondaires, comme la berbérine < Thalictrum minus > , la shikonine, pigment rouge utilisé en pharmacie, cosmétologie et teinturerie < Lithospermum erythrorhizcn > . la capsaïcine < Gapsfcum frutescens > , les monoterpenes (Thuya occidentalis), la beta- méthyldigoxine (Digitelis lanata > .

Parmi les organites cellulaires, les chloroplastes (organites cellulaires assurant la photosynthese chez les végétaux supérieurs > et les chromatophores bactériens (fragments de la membrane intracellulaire des bactéries photosynthétiques) sont les deux systèmes photobiochimiques se pretant à l'immobilisation.Ces systèmes ne peuvent effectuer, b eux seuls, des synthèses ou des bioconversions, mais on peut exploiter leur capacité & fixer le gaz carbonique et * assurer la photolyse de l'eau, en vue de la production d'oxygene, ou d'hydrogène < en association avec des hydrogénases microbiennes > ; d'autres applications sont la conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique par photophosphorylation de l'ADP en ATP, utilisable à son tour au cours de bioréactions consommatrices d'ATP. Ainsi, ces organites cellulaires sont-ils souvent co-immobilisés avec d'autres biocatalyseurs.

La présente invention s'applique aux biophotoréacteurs dans lesquels les biocatalyseurs sont aussi bien libres (bioréacteurs classiques) qu'immobilisés dans un support, lequel, dans le cas où les biocatalyseurs se multiplient, permet * une telle croissance d'avoir lieu.

De meme, la présente invention s'applique aux biophotoréacteurs dans lesquels les biocatalyseurs < microorganismes > sont disposés dans une phase délimitée par une membrane dont la porosité est juste suffisante pour retenir les biocatalyseurs, mais qui est perméable & tous substrats ou produits consommés ou excrétés durant l'activité desdits microorganismes. Un tel procédé pour la rétention et le maintien de l'activité de microorganismes dans des structures porteuses de ladite activité et les structures résultantes applicables notamment aux bioréacteurs sont décrits dans la demande de brevet français n 2 597 498.

On connait par l'article de P. Stevens et al, Blotechnology Letters, Vol. 5, n' 6, 369-374 (1983 > , un biophotoréacteur pour la production d'hydrogène avec des bactéries photosynthétiques. Ce réacteur présente une forme tubulaire, et son éclairage est assuré par une lampe d incandescence disposée dans l'espace délimité par la paroi cylindrique interne du réacteur. Selon la lampe utilisée, la température, dans la cuve, peut atteindre 60'C, ce qui oblige & prévoir, dans le montage1 un dispositif de refroidissement.

Des biophotoréacteurs & éclairage interne par fibres optiques ont également été proposés, l'avantage étant celui de pouvoir disposer d'une lumiere froide, antidéflagrante et d intensité modulable. Ainsi, il est décrit dans la publication de la demande de brevet japonais n 60-126075 < A > , un bioréacteur de production d'oxygène, constitué par un récipient de culture contenant un liquide de culture et un organisme photosynthétique, une source de gaz carbonique et une fibre optique pour l'introduction du gaz carbonique et de la lumière.

On connaît également par la demande internationale de brevet WO n 79/00282 un procédé pour la dispersion d'un faisceau lumineux dans un milieu de culture liquide, utilisant des fibres optiques immergées dans le liquide de la cuve. Chaque fibre optique comporte une succession d"'émetteurs optiques" qui permettent chacun la réflexion d'une partie de la lumiere transmise dans la fibre vers le milieu dans lequel a lieu la photoréaction. Différents dispositifs sont présentés pour la réflexion d'une partie de la lumière vers la cuve du réacteur : trous ou encoches formés dans la fibre ou petits miroirs disposés & l'intérieur de la fibre.

Enfin, dans le brevet américain n 4-724 214 et la demande de brevet français n 2 601 031, sont décrits des photoréacteurs dont le dispositif d'éclairage comprend plusieurs photoradiateurs parallèles entre eux et constitués chacun par un tube transparent dans lequel est logée une fibre optique, un miroir etant disposé & l'extrémité inférieure de chaque photoradiateur, le milieu réactionnel circulant entre les tubes.

Aucun de ces systèmes connus d'éclairage par fibres optiques des biophotoréacteurs ne conduit & un éclairage uniforme obtenu de façon simple. La présente invention a pour but de proposer un tel systeme d'éclairage, pouvant par ailleurs etre adapté sur des bioréacteurs de tous types. A cet effet, les fibres optiques sont, conformément * la présente invention, introduites sous forme d'un faisceau dans un fourreau dans lequel sont pratiquées de façon régulière des perforations recevant chacune une extrémité d'une fibre du faisceau, de sorte que des points lumineux ou zones lumineuses soient formés sur la paroi extérieure du fourreau. On constitue ainsi un "barreau & paroi externe lumineuse".On peut du reste former des cônes d'éclairage & la périphérie du barreau lumineux, lesquels se croisent d'une manière régulière pour assurer un éclairage continu.

En outre, dans le cas ou le matériel photosynthétique est immobilisé dans une couche ou membrane dite biocatalytique ou gel, on disposera cette couche ou membrane biocatalytique de façon qu'elle entoure le barreau lumineux une une distance choisie de celui-ci pour assurer un apport -suffisant en énergie lumineuse ; on obtiendra ainsi une homogénéité d'éclairage de la membrane biocatalytique, sans "points de surchauffe" conduisant h un vieillissement local prématuré de ladite membrane biocatalytique.

La présente invention a donc pour objet un biophotoréacteur pour l'exploitation d1 une activité photosynthêtique, ledit biophotoréacteur étant équipé d'un dispositif d'éclairage par fibres optiques, caractérisé par le fait que ledit dispositif d'éclairage est constitué par au moins un élément d'éclairage en forme de barreau, consistant en un fourreau doté d'une multiplicité d'orifices dans chacun desquels est fixée l'extrémité d'une fibre optique logée dans ledit fourreau et reliée, par son autre extrémité, & un générateur de lumière. Des points lumineux ou des zones lumineuses sont ainsi formés sur la paroi extérieure du fourreau, distribuant la lumière en direction du milieu de photoréaction contenu dans la cuve du biophotoréacteur.

Conformément & un mode de réalisation particulier, l'élément d'éclairage ou chaque élément d'éclairage du biophotoréacteur est apte & être reçu dans une cavité de la cuve du biophotoréacteur en étant ainsi- isolé du contenu de ladite cuve, la cavité étant délimitée latéralement par une zone de paroi transparente se trouvant en regard du fourreau en position assemblée dudit élément d'éclairage. Cependant, si l'on réalisait une fixation étanche des extrémités des fibres optiques dans les orifices du fourreau, on pourrait se passer de la zone de paroi transparente isolant l'élément d'éclairage du contenu de la cuve du biophotoréacteur.Une telle réalisation convient notamment dans le cas d'un biophotoréacteur dont le biocatalyseur est constitué par des microorganismes en suspension < voir cl-apres > .

De préférence, le fourreau d'un élément d'éclairage présente une forme cylindrique, ce qui permet d'assurer une régularité de l'éclairage å la périphérie de chaque barreau lumineux.

Conformément à d'autres modes de réalisation d'un tel barreau : les fibres sont rassemblées dans une gaine avant de pénétrer dans le fourreau ; et celui-ci est fermé par une embase par laquelle ledit barreau se fixe sur une partie d'enveloppe de la cuve, par exemple sur la paroi de fond ou sur le couvercle de ladite cuve, les éléments d'éclairage étant avantageusement amovibles et démontables.

De préférence, les orifices d'un barreau recevant les extrémités des fibres optiques sont disposés de façon régulière, notamment en quinconce, assurant également une uniformité d'éclairage. En outre, dans un mode de réalisation particulier, les extrémités des fibres optiques sont introduites chacune dans un téton & sortie tronconique, logé dans un orifice du fourreau, de maniere & constituer des cônes lumineux. I1 est alors intéressant que les cônes lumineux se recoupent de façon régulière, de marnière ^ assurer un éclairage le plus homogène possible, en vue d'une exploitation de l'activité photosynthétique réalisée dans les meilleures conditions.Dans le cas où l'on utilise des microorganismes immobilisés, ce recoupement des cônes lumineux est effectué avantageusement pour assurer un éclairage le plus homogène possible de la totalité de la surface interne de la membrane biocatalytique.

Dans le cas-d'un biophotoréacteur équipé de plusieurs éléments d'éclairage selon l'invention, ceux-ci sont, de préférence, disposés de telle sorte que leurs axes soient parallèles.

L'élément d'éclairage conforme h l'invention peut équiper un biophotoréacteur utilisant, comme biocatalyseur, des microorganismes en suspension < cellules libres, cultures traditionnelles). A titre d'exemple, on peut mentionner la production de micro-algues & des fins alimentaires, Dans ce cas, on peut utiliser par exemple une cuve monobloc incorporant une cavité cylindrique destinée à recevoir le barreau optique selon l'invention.

Le biophotoréacteur qui peut être équipé du barreau optique selon }'invention peut également utiliser un biocatalyseur immobilisé dans un gel, afin de constituer une couche ou membrane biocatalytique disposée autour du fourreau de l'élément d'éclairage ou de chaque élément d'éclairage conforme d l'invention.

Dans ce cas, la couche ou membrane biocatalytique, qui présente généralement une épaisseur de l'ordre du millimètre ou de quelques millimètres, doit être confinée entre une paroi transparente interne entourant l'élément d' éclairage, et une structure porteuse externe, poreuse ou perforée. Cette structure doit répondre aux critères suivants
< I > elle doit permettre d'obtenir une couronne homogene de gel
(2 > elle doit maintenir le gel au contact du cylindre
interne sans limiter la diffusion des réactifs,
substrats et produits intervenant dans la bioréaction
et
< 3 > elle doit maintenir le biocatalyseur dans le gel.

Dans le cas où le biocatalyseur est constitué d'enzymes, d'organites cellulaires (chLoroplastes), ou de cellules entières qui ne prolifèrent pas ou ont un temps de génération tres long & l'intérieur du gel < microorganismes "non viables", par exemple perméabilisés, cellules eucaryotes > , une paroi externe remplissant les deux premières conditions sera suffisante pour satisfaire au troisieme critère. Dans ce cas, la structure porteuse a essentiellement une fonction mécanique, & savoir celle de retenir le gel contre la paroi interne.Elle peut être constituée par une structure quelconque, par exemple un treillis å larges mailles, mais apte å maintenir le gel, selon la consistance et la viscosité de celui-ci. On peut ainsi utiliser des treillis ayant une largeur de maille de 3 s 10 mm. On peut également utiliser, en plus ou à la place du treillis, une membrane microporeuse, par exemple pour protéger les cellules de la contamination. Une telle membrane peut être souple, semi-rigide ou rigide, et elle peut être organique ou minérale.

Dans le cas où l'on utilise l'activité biocatalytique de microorganismes capables de se reproduire rapidement å l'intérieur du gel < microorganismes viables), on choisit une paroi externe constituée par une membrane microporeuse, dont la porosité répond & la définition donnée dans la demande de brevet n 2 597 498. Dans ce cas, il est évidemment possible d'utiliser un treillis tel qu'il a été défini ci-dessus, entre le gel et la membrane microporeuse, lorsque celle-ci est souple ou semi-rigide.

Comme membrane microporeuse, on peut du reste, dans tous les cas, utiliser une membrane rigide telle qu'obtenue par bombardement ionique < ions lourds) de feuilles polymériques, transparentes ou non.

Le biophotoréacteur de la présente invention peut avantageusement etre équipé, dans le cas du biocatalyseur immobilisé entourant un barreau lumineux, d'un cylindre entourant la couche de biocatalyseur, se situant d distance de la structure porteuse et destiné a assurer une circulation laminaire tangentielle du milieu autour dudit biocatalyseur.

Par ailleurs, les biophotoréacteurs de l'invention comportent tout l'équipement nécessaire & la conduite de la réaction : sondes de pH, de température, vannes de sécurité, entrées et sorties de fluides, le cas échéant, entrées d'air et de gaz carbonique, dispositifs d'agitation du milieu, etc ...

La présente invention concerne également les éléments d'éclairage tels qu'ils ont été définis ci-dessus et qui sont adaptables sur les différents types de biophotoréacteurs décrits.

Pour mieux illustrer l'objet de la présente invention, on décrira plus en détail ci-eprès, à titre indicatif et non limitatif, deux modes de réalisation de biophotoréacteurs selon l'invention représentés sur le dessin annexé.

Sur ce dessin
- la figure 1 est une vue, partiellement en élévation,
partiellement en coupe axiale longitudinale, du
dispositif d'éclairage d'un biophotoréacteur conforme F un premier mode de réalisation de 1' invention
- les figures 2 et 3 sont des vues en coupe selon
respectivement II-II et III-III de la figure 1
- la figure 4 est une vue å échelle agrandie du détail A
de la figure 3
- la figure 5 est une vue en coupe axiale longitudinale
d'un dispositif mécanique utilisé pour fabriquer un gel
biocatalyt ique immobilisant des microorganismes ou
organites cellulaires
- la figure 6 est une vue de dessus du dispositif de la
figure 5
- la figure 7 est une vue en coupe axiale longitudinale
du biophotoréacteur F l'état assemblé avec le
dispositif-d'éclairage de la figure I, selon VII-VII de
la figure 8, laquelle est une vue en coupe transversale
dudit biophotoréacteur
- la figure 9 est une représentation schématique de
l'ensemble de l'appareillage incorporant le
biophotoréacteur de la figure 7, en vue d'une
photoproduction d'hydrogène
- la figure 10 représente des courbes obtenues lors de la
mise en oeuvre de cette photoproduction dans
1' appareillage -de la figure 9
- la figure 11 est une vue schématique de dessus d'un
biophotoréacteur à multiéléments biocatalytiques
conforme à un second mode de réalisation de
l'invention, et comportant une pluralité de dispositifs
d'éclairage du type de ceux représentés sur la
figure 1, en vue d'une application a l'échelle
industrielle; et
- la figure 12 est une vue schématique en élévation avec
un arrachement montrant en coupe longitudinale axiale,
l'un des éléments biocatalytiques du réacteur de la
figure 11.

Si l'on se réfère maintenant aux figures 1 à 4, on voit que l'on a désigné par 1, dans son ensemble, un dispositif d'éclairage pour le biophotoréacteur des figures 7 et 8.

Le dispositif d'éclairage 1 utilise un système de fibres optiques 2 < figure 4 > , permettant d'obtenir une lumière froide, antidéflagrante et & intensité modulable.

Ces fibres 2, gainées individuellement, sont regroupées en un faisceau dans une gaine en acier inoxydable, formant un cible souple 3. A l'une-de ses extémités < non représentée), le câble 3 est fermé par un embout, également en acier inoxydable, dans lequel sont fixees les extrémités correspondantes des fibres optiques 2 et qui peut s'adapter sur un générateur de lumiere tel que symbolisé en 74 sur la figure 9.

Les fibres 2 utilisées dans cet exemple sont des fibres FORT type FEK 50, de 0,1 mm de diamètre. Le cable 3, dont la longueur est de 2,5 m environ, renferme 360 fibres optiques 2 ; et la source lumineuse est un générateur de 150-250 watts lampe halogène), muni d'un filtre anticalorique < type < GI de SCHOTT).

A l'extrémité du cible 3, opposée au générateur, les fibres 2 sont introduites axialement dans un fourreau cylindrique 4 en acier inoxydable, le cble 3 pénétrant axialement et se terminant dans une embase 5 en forme de disque, fermant ledit fourreau 4 d sa partie inférieure, celui-ci étant disposé verticalement, dans sa position de montage final dans le biophotoréacteur de la figure 7. Les fibres 2 sortent librement & l'intérieur du fourreau 4 et elles sont fixées individuellement à la paroi de celui-ci comme cela est décrit ci-après L'embase 5 comporte une bride périphérique inférieure 6, comportant trois trous 7 à 120 l'un de l'autre, en vue de la fixation sur le plateau inférieur 8 du biophotoréacteur de la figure 7.

Le fourreau cylindrique 4 est percé sensiblement sur toute sa hauteur, à l'exclusion de ses zones de bordure supérieure et inférieure, d'orifices 9 de petit diamètre, ces orifices 9 en étant disposés dans des plans radiaux se trouvant & égale distance les uns des autres, de façon à obtenir une distribution d'ensemble régulière en quinconce.

Dans l'exemple représenté, le fourreau 4 présente une hauteur de 20cm et un diamètre de 10cm, et il comporte 360 orifices 9 d'un diamètre de 1mm, à raison de 18 orifices décalés radialement de 20' sur une circonférence, un decalage radial de 10 existant entre deux circonférences successives, ce qui est illustré par les figures 2 et 3.

Chacune des fibres optiques 2, qui pénètre librement dans le fourreau 4, est insérée, par son extrémité libre, dans le canal axial 10a d'un téton de fixation cylindrique 10, en matière plastique, introduit à force dans un orifice 9 à l'intérieur du fourreau 4. Chaque téton 10 comporte, & à l' une de ses extrémités, une bride 10b par laquelle il vient en butée contre la paroi interne du fourreau 4 (figure 4 > ; en position de montage, chaque téton 10 affleure, par son extrémité opposée å la bride 1oL la surface externe du fourreau 4, mais le canal axial 10a s'ouvre vers l'extérieur suivant une paroi tronconique lOc.

la fibre 2 associée aboutissant dans le fond de cette ouverture tronconique. Les différents cônes dtéclairage ainsi constitués se recoupent mutuellement pour assurer un éclairage continu et homogène a l'extérieur du fourreau 4, sur sensiblement toute la hauteur du gel biocatalytique 23
Cdécrit ci-après).

Si l'on se réfère maintenant aux figures 5 et 6, on voit que l'on a représenté un dispositif 11 constitué par un plateau métallique 12 en forme de disque, d'un diamètre de 160mm dans l'exemple représenté. Le plateau 12 est surmonté d'une tige axiale 13 portant un filetage 14 dans sa région d'extrémité, et il comporte, sur sa face portant la tige 13, une gorge périphérique annulaire 15, & section en
U. Cette gorge 15, tapissée d'un joint plan 15 > reçoit un cylindre de verre 16 dont la hauteur est sensiblement égale & celle de la tige 13, à l'exception de sa partie filetée 14.

Un treillis .métallique 17, & larges mailles, de forme cylindrique et ayant un dismètre interne égal ou légèrement supérieur au diamètre externe du plateau 12, est disposé coaxialement au cylindre de verre 16, en étant emboîté autour dudit plateau 12, par son embase annulaire 17a raccordée au corps du treillis 17 par un léger décrochement vers l'intérieur 17k > ainsi que le montre la figure 5.De plus, le treillis métallique 17 est recouvert extérieurement d'une feuille d'aluminium 18, laquelle est plaquée sur ledit treillis 17 par deux bandes de caoutchouc 19 19b disposées, 1' une immédiatement au-dessus de l'embase 17e, et autre, au voisinage de la bordure libre de la feuille d'aluminium 18. Un joint torique d'étanchéité 20 est interposé entre la bordure externe du plateau 12 et l'embase 17a De la sorte, on a constitué, entre la paroi externe du cylindre de verre 16 et la paroi interne du treillis 17 dont les ouvertures sont obtures par la feuille d'aluminium 18, un espace cylindrique 21, dans lequel on pourra venir couler un gel biocatalytique afin de constituer une membrane biocatalytique comme cela est décrit ci-après.

Ce dispositif 11 de coulage dugel est complété par une plaque métallique 22 < en acier par exemple > , ayant la forme d'une bande allongée, de longueur légèrement supérieure au diamètre du dispositif cylindrique qui vient d'être décrit, et présentant une ouverture centrale 22a de diamètre légèrement supérieur celui de la tige 13. Cette plaque 22 vient s'appliquer diamétralement sur le dispositif cylindrique précité, la tige 13 traversant l'ouverture centrale 22a et dépassant, par son extrémité filetée 14, de ladite plaque 22. Une vis de serrage 22b maintient cette dernière sous une légère pression de façon à assurer l'étanchéité du dispositif 11. Celui-ci, une fois réalisé comme on vient de l'indiquer, est stérilisé par autoclavage, puis placé dans une enceinte stérile, thermostatée à 40-C.

On décrira maintenant < 1) la préparation d'un gel biocatalytique et < 2 > le coulage de ce gel dans l'espace 21: < 1) On réalise une suspension d'agar < 18g d'agar dans 700 ml d'eau > que l'on stérilise par autoclavage ; la solution obtenue est ensuite placée dans une enceinte stérile thermostatée, où elle refroidit jusqu'a 40*C, puis inoculée par 100ml d'une culture dense de Rhodospirillum rubrum < obtenu par des techniques conventionnelles de culture des microorganismes photosynthéti-ques > ; on obtient ainsi une suspension A 2,25% en poids d'agar.

(2) Apres quelques minutes d'homogénéisation, la suspension d'agar est coulée manuellement dans l'espace 21 du dispositif Il ; la température de 1 enceinte thermostatée est abaissée à C ; la gélification s'effectue en 15 minutes environ, et l'on obtient, dans l'espace 21, la membrane biocatalytique 23, laquelle présente une épaisseur de 3 mm environ.

Après gélification, la feuille d'aluminium 18 est retirée; la membrane biocatalytique 23 ainsi constituée et son support < a savoir le dispositif 11 duquel on a ôté la feuille 18 et les bandes 19 19b > sont alors placés dans un récipient stérile contenant 5 litres d'un milieu nutritif adéquat < mélange bouillon Columbia - milieu Ormerod > et exposés à la lumiere (20 klx > pendant 48 heures. Au cours de l'incubation, le milieu nutritif est agité par un fort courant d' argon, qui permet également de maintenir l'anaérobiose. Cette étape, dite de "pretraitement", permet une colonisation du gel par les microorganismes immobilisés.

La membrane ainsi "dopée' est alors lavée à l'eau distillée stérile pendant 24 heures.

On se reportera maintenant aux figures 7 et 8 pour décrire un biophotoréacteur 24 & microorganismes immobilisés, incorporant le dispositif d'éclairage 1 et la structure biocatalytique constituée par le cylindre de verre 16, la membrane biocatalytique 23 emprisonnant Rhodospirillum rubrum et le treillis métallique 17.

Le biophotoréacteur 24 est délimité par un plateau inférieur 8 CdéJa indiqué en référence avec la figure 1 > , un plateau supérieur 25, tous deux en forme de disque, et par une enveloppe latérale cylindrique 26, laquelle est en verre ou en tout autre matériau adéquat, par exemple l'acier inoxydable. Cette derniere se trouve, en position de montage, introduite par ses bordures respectivement inférieure et supérieure dans des rainures annulaires 8 et 25 en regard l'une de l'autre, pratiquées * la périphérie des plateaux respectivement 8 et 25.Ces derniers sont maintenus par des goujons métalliques 27 , au nombre de six < figure 8 > , vissés dans le plateau 8 à l'extérieur de la rainure 8 > des écrous 28 maintenant sous une légère pression le plateau supérieur 25 et assurant l'étanchéité de la cuve 29 ainsi constituée du biophotoréacteur 24.

Le plateau inférieur 8 comporte une ouverture centrale 30 délimitée par une paroi cylindrique dans laquelle est pratiqué un décrochement 31 destiné à servir de butée à la bride 6 du dispositif d'éclairage 1, fixé sur le plateau 8 comme décrit précédemment.

Par ailleurs, le plateau 8 comporte intérieurement deux rainures annulaires concentriques 32 et 33, la rainure interne 32, tapissée d'un joint plan (non représenté), située à une certaine distance de l'ouverture 30, recevant le cylindre de verre 16 précité, et la rainure externe 33, plus profonde que la rainure 32, recevant le treillis 17 par sa base 17 la membrane biocatalytique 23 de gel + microorganismes immobilisés étant emprisonnée entre le cylindre 16 et le treillis 17.

Dans l'exemple représenté, une membrane microporeuse 34 < membrane Millipore, type Durapore hydrophile, de porosité 0,45 pm > est placée autour du treillis 17, où elle est fixée par deux bandes de caoutchouc inférieure et supérieure, respectivement 359 et 35b. La membrane 34 constitue un filtre microporeux assurant un confinement, dans le gel de la membrane 23, des microorganismes immobilisés, selon l'enseignement de la demande de brevet français n' 2 597 498.

La structure constituée par le cylindre de verre 16 et l'ensemble des éléments qu'il porte extérieurement, est fermée, à sa partie supérieure, par un couvercle interne 36 en forme de disque, qui comporte, de la même façon que le plateau 8, deux rainures concentriques respectivement 37 et 38 recevant les bordures supérieures respectivement du cylindre 16 et du treillis 17, lequel est renforcé dans cette partie. Le couvercle 36 dépasse, sur toute sa périphérie, du cylindre t6 et des éléments qu'il porte, des trous 39, au nombre de quatre figure 8 > , disposés à 90' l'un de l'autre, traversant cette zone périphérique du couvercle 36.Les trous 39 sont traversés par des goujons 40, dont la pointe inférieure est vissée dans des logements filetés 4L prévus d cet effet dans le plateau inférieur 8. Sur la partie d'extrémité supérieure des goujons 40 qui dépasse du couvercle 36, sont vissés des écrous 42. On assure ainsi un maintien en place du cylindre de verre 16, pour définir intérieurement une cavité 43, qui est parfaitement isolée de la cuve 29, et dans laquelle est placé le dispositif d' éclairage 1.

Le biophotoréacteur 24 renferme également un cylindre intermédiaire amovible 44, coaxial au cylindre 16 et extérieur a celui-ci, ledit cylindre 44 reposant, par sa bordure inférieure, dans une gorge annulaire 45 également pratiquée dans le plateau inférieur 8. La cuve 29 étant destinée à recevoir du milieu nutritif, ce cylindre 44 est destiné à assurer une circulation laminaire tangentielle dudit milieu autour de la membrane 34, dans la zone en forme de couronne cylindrique 46 située entre ledit cylindre 44 et ladite membrane 34. Sur la figure 7, on a représenté partiellement le goujon 40 de droite, pour illustrer par des flèches, la circulation du milieu nutritif.

Celui-ci entre dans le biophotoréacteur 24 par des aiguilles d'injection 47, au nombre de quatre, pénétrAnt, à travers le plateau inférieur 8, dans la zone précitée 46.

Ainsi, le liquide entre à la partie basse de cette zone grace aux aiguilles 47, il monte le long de la membrane microporeuse 34 selon la flèche indiquée, puis il retombe, également comme indiqué par 1' autre flèche, autour du cylindre 44, où il est repris par les aiguilles de sortie 48, au nombre de deux, diamétralement opposées. En fonctionnement, le nivesu du liquide dans la cuve 29 est maintenu A la hauteur h < figure 7), d savoir, légèrement audessous de la bordure supérieure du cylindre 44.

Le biophotoréacteur 24 est également équipé, en partie haute, d'une vanne de sécurité 49, d'une sonde de pH 50, et d'un bouchon 50 pour introduction de fluides, prélèvement, etc., et, en partie basse, d'une sonde de température 51, et d'une résistance chauffante 52. Le biophotoréacteur 24 est disposé sur un socle 53, représenté partiellement sur la figure 7.

On peut également prévoir, dans le biophotoréacteur, un dispositif d'agitation traditionnelle par pales ou "air lift".

Le montage du biophotoréacteur 24 est effectué de la façon suivante
Tous les éléments du biophotoréacteur 24, ainsi que les différents milieux, sont stérilisés par autoclavage; le ensemble des opérations de montage s'effectue dans une enceinte stérile.

La structure biocatalytique (cylindre 16 membrane 23 - treillis 17 > est dégagée du système de coulage des figures 5 et 6, puis fixée hermétiquement sur le plateau inférieur 8 du biophotoréacteur 24. La membrane 34, préalablement préparée < taillée aux dimensions voulues: longueur 555mm, hauteur 265mm, selon l'exemple présentement décrit, soudée, puis autoclavée) est alors placée autour du treillis 17, ou elle est maintenue hermétiquement par les bandes de caoutchouc 35a, 35b. Les goujons 40, le cylindre 44, le couvercle intérieur 36, les goujons 27, le cylindre externe 26 et le plateau supérieur 25 sont mis successivement en place. Après vérification de l'étanchéité du biophotoréacteur 24, celui-ci est sorti de le enceinte stérile et incorporé dans l'ensemble schématisé sur la figure 9.Celui-ci comporte trois grandes parties
- le biophotoréacteur 24 proprement dit, tel qu'il vient
d'être décrit;
- un ensemble hydraulique qui comprend quatre réservoirs
54, 55, 56, 57, d'une capacité de 5 litres chacun, une
pompe de circulation 58 à fort débit (600 litres/heure >
et vitesse variable (de 0,1 h 99% du débit maximum), et
un tableau de commande 59 supportant sept vannes < 54a,
55a, 56a, 57e et 60, 61,62 > , et un collecteur 63; et
- un ensemble de régulation, contrôle et mesure
comprenant:
- un système de régulation thermique formé de la
sonde de température 51 et de la résistance
chauffante 52, reliées à un boîtier de régulation
64* auquel peut etre associé un serpentin de
refroidissement < non représenté > placé dans le
biophotoréacteur 24;
- un pH-mètre 65 relié à une électrode de verre 66;
- un système de mesure du débitgazeux et d'analyse
du gaz constitué de la façon suivante: le gaz
produit dans le photoreacteur 24 est évacué & la
partie supérieure grâce à trois tubes en Teflon
67, 68 et 69; il passe dans un condensateur 70 où
il perd la vapeur d'eau qu'il contient; en sortie
du condensateur 70, un débitmètre massique 71,
étalonné pour l'hydrogène, traduit le débit gazeux
(d) en signal électrique, qui est enregistré au
cours du temps < t > par l'enregistreur 72; le gaz
est ensuite analysé en GPC en 73, puis évacué.

Pour la mise en oeuvre de l'installation de la figure 9, les réservoirs 54 et 55 contenant du milieu nutritif, stérilisés par autoclavage, sont connectés aux vannes respectivement 54t, 55a . Les connexions sont effectuées au niveau des entrées 47 et des sorties 48 pour le liquide. Le dispositif d'éclairage 1, relié au générateur de lumiere 74, est mis en place, ainsi que la régulation thermique et la mesure du pH.

Lorsque le remplissage est effectué (10 litres de milieu nutritif), les vannes 54a, 55^ sont fermées. On ouvre les vannes 60 et 61; sous l'action de la pompe 58, le milieu circule dans le sens (1) à vitesse moyenne (en circuit fermé > . Le bioréacteur 24 est alors désoxygéné par bullage d'argon en 75 pendant 1 heure.

L'installation est alors prête b fonctionner; le dégazage est stoppé, le liquide circule toujours dans le sens < 1 > à vitesse moyenne, le générateur de lumière 74 fonctionne à son maximum d'intensité (15 klx).

Cette installation a été utilisée pour suivre plusieurs cinétiques de photoproduction d'hydrogene, correspondant & des conditions expérimentales différentes.

Dans une experience typique, qui n'est donnée ici qu'à titre d'exemple, le milieu nutritif fourni aux microorganismes immobilisés (R. rubrum) est un tampon phosphate contenant du malate < source de C > et du glutamate (source de N > , dont la composition exacte est la suivante < d'apres Hirayama et al,
Agric. Biol. Chem. 1986,50: 891-897):
K2HP04 . 10,5 g
KH2PO4 3, 5 g
Acide malique 35,0 g
Acide glutamique 4,8 g
Eau distillée * 1 litre (pH ajusté à 7 par KOH >
La courbe (1) de la figure 10 représente l'évolution du volume de gaz produit dans le photoréacteur 24. Ce gaz est un melange de H2, C02.et Ar, dans lequel la proportion d'H2 pur varie au cours du temps d'incubation (figure 10, encadre).La cpurbe < 2 > de la figure 10 représente la cinetique de production d'H2 pur par la structure biocatalytique: on observe tout d'abord une période de latence de l'ordre de 40 heures, puis une augmentation importante du volume de H2 produit pour atteindre, en fin de manipulation, un "épuisement" du substrat (rlentissement de la production gazeuse observé a partir de 130 heures > .

Pour réduire les contaminations parasites, on introduit, dans le protocole opératoire, une étape préliminaire de lavage du biophotoréacteur 24, structure biocatalytique en place, par une solution décontaminante, sans effet rémanent, par exemple le tampon phtalate décrit par Trinel et Leclerc < Ann. Microbiol. Inst. Pasteur, 1977, 128: 419-423).

Le décontaminant est stocké dans le réservoir 56 (figure 9 > . Après fixation de la structure biocatalytique, on l'introduit à l'aide de la pompe 58 dans le bioréacteur où il séjourne pendant environ Imn. Le système est ensuite vidangé, puis rincé par de l'eau distillée stérile contenue dans le réservoir 57.

Si l'on se réfère maintenant aux figures 11 et 12, on voit que l'on a désigné par 124 un biophotoréacteur de grande capacité. Le biophotoréacteur 124 comprend une embase 108, une paroi latérale cylindrique 126, préférentiellement en acier, fixée à l'embase 108 et au plateau supérieur 125 par des boulons de serrage 177. Dans la cuve 129 ainsi délimitée, plongent des structures actives (au nombre de cinq dans l'exemple représenté) du même type que celle décrite ci-dessus et désignées par des chiffres de référence supérieurs de 100 à ceux utilisés précédemment, A savoir cylindre de verre 116 - membrane 123 de gel emprisonnant les microorganismes - treillis 117 et membrane microporeuse 134. Ces structures sont fermées intérieurement de manière étanche, par des plaques 136 < équivalentes au couvercle 36 du mode de réalisation précédemment décrit), qui sont serrées contre lesdites structures au moyen de goujons 140 reliés h une plaque supérieure 178 en appui périphérique contre le couvercle 125 et fixée par des boulons 179. Dans les espaces 143 délimités par les cylindres de verre 116 et les plaques internes 136, sont disposés les dispositifs d'éclairage 101, avec leurs gaines 103 guidant chacune un faisceau de fibres optiques.

Le biophotoréacteur 124 comporte des dispositifs d'agitation 176 régulierement distribués entre les structures actives précitées, ces dispositifs d'agitation étant choisis pour etre les mieux adaptés à la distribution desdites structures & l'intérieur de la cuve 129 et A l'activité photosynthétique exploitée: système a gaz pulsé < par exemple, air + CO2 > dans le cas d'un métabolisme sans récupération de biogaz, assurant à la fois l'agitation et l'approvisionnement du milieu en substrat (exemple : et l'évacuation des gaz et/ou calories éventuellement produits ; agitation par pales, hélices ou turbines < dont il existe de multiples configurations permettant de diriger les flux de milieu nutritif > , par circulation de milieu, en anaérobiose et dans certains cas d'aérobiose.

De même, le biophotoréacteur 124 comporte tous les équipements nécessaires: soupape de sécurité 149; sondes de pH 150; sondes de température {platine) t51; et résistances chauffantes 152.

Le processus de stérilisation du réacteur 124 et de ses éléments cylindriques < avant mise en place du gel) est choisi parmi les techniques classiques bien connues pour les biophotoréacteurs industriels: vapeur, oxyde d'éthylene, avant coulage in situ du gel biocatalytique.

Claims (14)

REVENDICATIONS

1 - Biophotoréacteur pour l'exploitation d'une activité photosynthétique, ledit biophotoréacteur étant équipé d'un dispositif d' éclairage par fibres optiques < 2 > , caractérisé par le fait que ledit dispositif d'éclairage est constitué par au moins un élément d'éclairAge < 1 ; 101) en forme de barreau, consistant en un fourreau (4 ; 104) doté d'une multiplicité d'orifices < 9) dans chacun desquels est fixée l'extrémité d'une fibre optique < 2 > logée dans ledit fourreau (4 ; 104 > et reliée, par son autre extrémité d un générateur de lumière, des points lumineux ou des zones lumineuses étant ainsi formés sur la paroi extérieure du fourreau (4 ; 104 > , distribuant la lumiere en direction du milieu de photoréaction contenu dans la cuve du biophot oréact eur.

2 - Biophotoréacteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément d'éclairage- < 1 > ou chaque élément d'éclairage (101) est apte à être reçu dans une cavité de la cuve < 29 ; 129) du biophotoréacteur (24 124 > en étant ainsi isolé du contenu de ladite cuve (29 129), la cavité étant délimitée latéralement par une zone de paroi transparente (16 ; 116) se trouvant en regard du fourreau (4 ; 104 > en position assemblée dudit élément d'éclairage (1 ; 101).

3 - Biophotoréacteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le fourreau (4 ; 104 > présente une forme cylindrique.

4 - Biophotoréacteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les fibres < 2 > sont rassemblées dans une gaine avant de pénétrer dans le fourreau < 4 ; 104 > .

5 - Biophotoréacteur selon l'une des revendications 1 b 4, caractérisé par le fait que le fourreau < 4) est ferme par une embase < 5 ; 105) par laquelle l'élément d'éclairage (1-; 101) se fixe sur une partie d'enveloppe de la cuve < 29 ; 129), comme la paroi de fond < 8) ou le couvercle < 125) de ladite cuve < 29 ; 129).

6 - Biophotoréacteur selon 1' une des revendications 1 & 5, caractérisé par le fait que les orifices (9 > du barreau recevant les extrémités des fibres optiques (2 > sont disposés de façon régulière, notamment en quinconce.

7 - Biophotoréacteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les extrémités des fibres optiques < 2) sont introduites chacune dans un téton < 10 > h sortie tronconique, logé dans un orifice < 9 > du fourreau < 4) de manière å constituer des cônes lumineux, lesquels, de préférence, se recoupent de façon régulière, ce recoupement étant par ailleurs avantageusement réalise de manière å assurer un éclairage homogène de la totalité de la surface de la membrane biocatalytique, dans le cas où l'on utilise des microorganismes immobilisés.

8 - Biophotoréacteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'il comporte plusieurs éléments d'éclairage < 101), disposés de façon que leurs axes soient parallèles.

9 - Biophotoréacteur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'il utilise, comme biocatalyseur, des microorganismes organites ou cellules végétales en suspension.

10 - Biophotoréacteur selon 1' une des revendications 1 & 8, caractérisé par le fait qu'il utilise un biocatalyseur immobilisé dans un gel, afin de constituer une couche mince ou membrane biocatalytique < 23 ; 123) disposée autour du fourreau (4 ; 104) de chaque élément d'éclairage < 1 ; 101 > .

il - Biophotoréacteur selon les revendications 2 et 10 prises simultanément, caractérisé par le fait que la couche mince ou membrane biocatalytique (23 ; 123) est confinée entre une paroi transparente interne < 16 ; 116) entourant l'élément d'éclairage < 1 ; 101), et une structure porteuse externe, poreuse ou perforée.

12 - Biophotoréacteur selon la revendication 11, caractérisé par le fait que la structure porteuse externe est constituée par un treillis à larges mailles (17 ; 117 > et/ou une membrane microporeuse t34 ; 134 > .

13 - Biophotoréacteur selon la revendication 12, caractérisé par le fait que la membrane microporeuse < 34 134) est une membrane souple, semi-rigide ou rigide, organique ou minérale.

14 - Biophotoréacteur selon l'une des revendications 11 & 13, caractérisé par le fait qu'il est équipé d'un cylindre < 44 > entourant la couche ou membrane biocatalytique < 23 ; 123 > , se trouvant à distance de la structure porteuse de ladite couche ou membrane biocatalytique, et agencée pour permettre une circulation laminaire tangentielle du milieu autour de cette derniere.

15 - Elément d'éclairage pour biophotoréacteur, tel que défini à l'une des revendications 1 à 7.