FR2697027A1

FR2697027A1 - Dispositif de nettoyage des canalisations d'un photobioréacteur et photobioréacteur muni de ce dispositif de nettoyage.

Info

Publication number: FR2697027A1
Application number: FR9212474A
Authority: FR
Inventors: Muller-Feuga Arnaud; Chaumont Daniel; Gudin Claude
Original assignee: HELIOSYNTHESE SA; INST FS RECH EXPL MER; Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: HELIOSYNTHESE SA; INST FS RECH EXPL MER; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1992-10-19
Filing date: 1992-10-19
Publication date: 1994-04-22
Anticipated expiration: 2012-10-19
Also published as: WO1994009113A1; IL107247A0; EP0665880A1; JPH08502173A; FR2697027B1

Abstract

L'invention concerne un dispositif de nettoyage des canalisations d'un photobioréacteur, ainsi que le photobioréacteur muni de ce dispositif de nettoyage. Le but de l'invention est de mettre au point un dispositif permettant de nettoyer efficacement les canalisations d'un photobioréacteur, même si celles-ci présentent une section rectangulaire. Ce but est atteint à l'aide d'un dispositif constitué d'un élément de nettoyage (21) conçu pour être disposé à l'intérieur des canalisations du photobioréacteur, cet élément (21) comprenant des moyens de raclage (23) des parois internes desdites canalisations et des évidements (25) permettant l'écoulement du milieu de culture lorsque l'élément (21) est aux extrémités des canalisations du photobioréacteur.

Description

DISPOSITIF DE NETTOYAGE DES CANALISATIONS
D'UN PHOTOBIOREACTEUR ET PHOTOBIOREACTEUR MUNI
DE CE DISPOSITIF DE NETTOYAGE
La présente invention concerne un dispositif de nettoyage des canalisations d'un photobioréacteur, ainsi que le photobioréacteur muni de ce dispositif de nettoyage.

On réalise depuis quelques années déjà des cultures de microorganismes photosynthétiques, à l'intérieur de photobioréacteurs. Ces derniers permettent la production de toute matière photosynthétique, c'està-dire toute forme de vie susceptible de se développer et de réaliser une réaction de photosynthèse dans un milieu liquide nutritif approprié, en présence de rayonnement solaire et de dioxyde de carbone. Les microorganismes cultivés sont par exemple, des microalgues, des cyanobactéries (chlorelles, spirulines, scenedesmus, etc...).

Les principaux paramètres de la culture de ces microorganismes sont la température, la lumière, le pH, les pressions en CO2 et en 2 dans le milieu de culture, ainsi que la composition du milieu nourricier.

En conséquence, les photobioréacteurs actuellement connus sont constitués d'un ensemble de tubes transparents à la lumière, réalisés par exemple en matière plastique et à l'intérieur desquels circule un milieu de culture liquide chargé en microorganismes.

Ces tubes peuvent être souples et disposés sous forme d'un radeau, au-dessus d'une étendue d'eau importante comme une lagune, un étang, la mer ou une piscine et servant de source de refroidissement du milieu de culture liquide. Un exemple de ce type de photobioréacteur est décrit dans le document
FR-A-2 621 323.

Les tubes peuvent également être rigides.

Ils sont alors réalisés par exemple, dans des panneaux extrudés, de façon à former des alvéoles longitudinales parallèles. Un tel exemple de photobioréacteur est décrit dans les documents FR-A-2 564 855 et
FR-A-2 662 705. Ces panneaux reposent alors sur une surface dure et de préférence inclinée de façon à présenter un angle de 900 par rapport au soleil.

Afin de se développer correctement, et de réaliser la photosynthèse, ces microorganismes ont besoin de la présence de CO2 dans le milieu de culture. A cet effet, les photobioréacteurs sont généralement munis d'un carbonateur permettant d'assurer un transfert suffisant de CO2 vers le milieu de culture liquide, de façon que la demande biologique en CO2 soit toujours satisfaite.

Le dispositif de culture nécessite également la présence de moyens pour faire circuler continuellement le milieu de culture entre les tubes du photobioréacteur et ledit carbonateur. Ces moyens sont par exemple une pompe. La circulation du milieu de culture à l'intérieur de ces tubes peut s'effectuer soit en sens unique, soit en va-et-vient d'une extrémité à l'autre de chaque tube.

Quelque soit le type de circulation à l'intérieur des tubes, les photobioréacteurs ont tendance à s'encrasser rapidement, si l'on ne prend pas de précautions particulières. En effet, les microalgues ont naturellement tendance à adhérer sur les parois internes des tubes du photobioréacteur. Les dépôts ainsi formés diminuent considérablement la transparence à la lumière de la paroi supérieure des tubes, (c'est-à-dire, la paroi dirigée vers le soleil), et entraînent donc une moins bonne utilisation de l'énergie solaire. En outre, ces dépôts rendent la distribution des cellules à l'intérieur du milieu, moins homogène.

Enfin, les pièces de liaison comme les coudes, par exemple, entre les différents tubes rectilignes du dispositif augmentent encore les risques de sédimentation et donc de contamination du milieu de culture. En conséquence, il est nécessaire de prévoir des dispositifs de nettoyage des tubes du photobioréacteur.

On connaît déjà dans l'art antérieur, d'après le document FR-A-2 576 034, un exemple de dispositif de nettoyage permettant de faire circuler des billes à l'intérieur des tubes cylindriques d'un photobioréacteur. Toutefois, ce dispositif n'est pas complétement satisfaisant car il ne permet pas de nettoyer efficacement des canalisations dont la section est carrée ou rectangulaire, puisque les coins ne sont pas atteints par les billes.

On connaît aussi d'après l'art antérieur, un photobioréacteur comprenant un dispositif d'ascenseur à gaz permettant simultanément de charger le milieu de culture en CO2 et d'assurer la circulation du milieu liquide, de façon à éviter la stagnation et donc la formation de dépôts à l'intérieur des tubes.

On connaît également d'après un article de
M.R. TREDICI et al., 1991, "A vertical alveolar panel for outdoor mass cultivation of microalgae and cyanobacteria", Bioresource Technology 38, un photobioréacteur comprenant un panneau où la culture est mise en circulation par une diffusion d'air dans les alvéoles verticales de section rectangulaire. I.A.J. RATCHFORD et al. dans "Performance of a flat plate, air lift reactor for the growth of high biomass algal cultures", Journal of Applied Phycology 4:1-9, 1992, décrit également les performances d'un panneau dont les alvéoles de section rectangulaire sont montées en série et où la culture circule sous l'action d'un dispositif externe de type ascenseur à air. Toutefois, ce type de dispositif ne permet pas de réaliser un nettoyage efficace de la paroi interne des alvéoles.

De ce fait, la solution retenue en pratique pour éviter les dépôts, consiste souvent à choisir des microorganismes ayant une faible tendance à adhérer aux parois, ce qui restreint le champ des applications possibles.

En conséquence, l'invention a pour but de remédier à ces inconvénients. Elle a en particulier pour but de réaliser un dispositif permettant de nettoyer efficacement les parois internes des canalisations d'un photobioréacteur, en particulier la paroi dirigée vers l'extérieur et le soleil. L'invention permet également d'assurer ce nettoyage même lorsque la section des canalisations est carrée ou rectangulaire.

A cet effet, l'invention concerne un dispositif de nettoyage des canalisations rectilignes d'un photobioréacteur, ces canalisations présentant au moins une paroi interne plane, le photobioréacteur contenant des microorganismes en suspens ion dans un milieu de culture liquide, mis en circulation à l'intérieur desdites canalisations par des moyens de pompage.

Selon les caractéristiques de l'invention, ce dispositif est constitué d'un élément de nettoyage comprenant au moins une face plane, conçu pour être disposé à l'intérieur des canalisations du photobioréacteur, cet élément de nettoyage comprenant des moyens de raclage des parois internes desdites canalisations et au moins un évidement à chacune de ses deux extrémités, chaque évidement présentant des parois internes sur lesquelles le milieu de culture liquide circulant exerce une poussée, cet évidement étant ouvert sur l'extrémité dudit élément et sur la face opposée à ladite face plane, de façon à permettre l'écoulement du milieu de culture lorsque l'élément de nettoyage est aux extrémités desdites canalisations.

Ainsi, grâce à ce dispositif, les moyens de raclage permettent de nettoyer efficacement au moins l'une des parois internes des canalisations.

De façon avantageuse, les moyens de raclage comprennent au moins une nervure dont le bord présente une forme correspondant à celle de la paroi interne de la canalisation que le dispositif nettoie.

De préférence, le dispositif de nettoyage est destiné à nettoyer des canalisations dont la section à la forme d'un parallélogramme et l'élément de nettoyage a la forme d'un parallélépipède présentant une face supérieure, une face inférieure et deux faces d'extrémité et au moins une nervure biseautée est prévue sur la face supérieure.

En outre, l'invention concerne également un photobioréacteur de culture de microorganismes photosynthétiques comprenant une série de canalisations rectilignes montées en parallèle et présentant au moins une face interne plane et à l'intérieur desquelles circulent lesdits microorganismes en suspension dans un milieu de culture liquide, ledit milieu de culture étant mis en circulation par des moyens de pompage, de façon à assurer le déplacement par entraînement du dispositif de nettoyage selon un mouvement de va-etvient d'une extrémité à l'autre de chacune desdites canalisations.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple illustratif et non limitatif, cette description étant faite en faisant référence aux dessins joints, dans lesquels
- la figure 1 illustre un mode de réalisation d'un photobioréacteur selon l'invention, dans lequel la circulation du milieu de culture s'effectue en va-et-vient,
- la figure 2 illustre un mode de réalisation d'un dispositif de nettoyage selon l'invention, et
- la figure 3 est une vue en coupe de l'une des extrémités du photobioréacteur selon la figure 1.

Selon le mode de réalisation illustré en figure 1, le photobioréacteur se compose d'un panneau 1, réalisé par extrusion d'une matière plastique transparente aux rayonnements solaires comme le polymétacrylate de méthyle par exemple, et à l'intérieur duquel sont aménagées un certain nombre de canalisations 3 parallèles entre elles. Ces canalisations présentent une section en forme de parallélogramme, de préférence carrée ou rectangulaire. Chaque canalisation présente une paroi interne supérieure 5, c'est-à-dire la paroi dirigée vers le soleil et une paroi interne inférieure 7 opposée à la paroi 5.

Bien que cela ne soit pas illustré en figure 1, il est également possible, comme cela est décrit dans la demande de brevet FR-A-2 662 705, de réaliser un panneau comprenant deux couches superposées de canalisations, les canalisations supérieures servant à la circulation de la solution nutritive et des microorganismes et les canalisations de la couche inférieure servant à la circulation d'un fluide de régulation thermique.

Le panneau 1 présente à ses deux extrémités un collecteur 9 qui apparaît mieux en figure 3. Ce collecteur, réalisé également en matière plastique transparente aux rayonnements solaires a la forme d'une gouttière creuse, définissant une conduite en U 11.

Ce collecteur est surmonté d'un couvercle 13 qui ferme la conduite 11. L'extrémité du panneau 1 est engagée entre le collecteur 9 et le couvercle 13, de façon que les extrémités de toutes les canalisations 3 débouchent dans la conduite 11. Cette conduite 11 a une section plus importante que celle de chaque canalisation 3.

Comme illustré en figure 1, le photobioréacteur présente à ses deux extrémités diagonalement opposées deux tubes 15 débouchant à l'intérieur de chacune des conduites 11. Cette disposition en diagonale est importante car elle permet d'éviter que le milieu de culture ne circule préférentiellement au droit du tube d'entrée et du tube de sortie. Ces tubes 15 d'entrée et de sortie du milieu de culture sont reliés entre eux par un tube 17 sur lequel est montée une pompe 19. Cette pompe 19 (ou moyens de pompage), permet d'assurer la circulation du milieu de culture liquide -à l'intérieur des canalisations 3. Dans le photobioréacteur illustré en figure 1, elle a notamment pour rôle d'assurer cette circulation du milieu de culture selon un mouvement de va-et-vient (flèche AR).

Comme illustré en figure 2, le dispositif de nettoyage 21 selon l'invention, comprend un élément réalisé de préférence en matière plastique d'une densité proche de celle du milieu de culture, par exemple en polyéthylène. Cet élément 21 a la forme générale d'un parallélépipède, de préférence un parallélépipède rectangle. De façon plus générale, il a une forme et notamment une section adaptée à la section des canalisations 3 à l'intérieur desquelles il est sensé circuler.

L'élément 21 comprend des moyens de raclage 23 des parois internes 5 ou 7 et des évidements 25.

Cet élément 21 est destiné à nettoyer des canalisations 3 dont la section est carrée ou rectangulaire. De ce fait, l'élément 21 a la forme d'un parallélépipède présentant une face supérieure 27, une face inférieure 29, deux faces latérales 31 et deux faces d'extrémité 33. La face supérieure 27 correspond à celle qui est dirigée vers la paroi interne supérieure 5 de la canalisation 3, lorsque l'élément 21 y est introduit.

Les moyens de raclage 23 sont constitués par une nervure biseautée s'étendant sur la face supérieure 27, sensiblement perpendiculairement au plan de cette face. Celle-ci est avantageusement plane. Cette nervure 23 s'étend de préférence sur toute la largeur de l'élément 21. Le bord 35 de la nervure biseautée 23 a une forme correspondant à celle de la paroi interne supérieure 5 de la canalisation 3 que le dispositif nettoie.

Dans le cas illustré ici, cette paroi étant plane, le bord 35 est rectiligne. De façon avantageuse, et comme- illustré en figure 2, ces nervures biseautées 23 sont au nombre de deux et sont placées aux deux extrémités de l'élément 21. Toutefois, on pourrait également prévoir une ou plusieurs nervures 23 placées, par exemple sur la face supérieure 27, parallèlément, perpendiculairement ou obliquement aux deux autres nervures.

Comme illustré en figure 3, la hauteur H totale du dispositif de nettoyage prise entre le sommet de la nervure 23 et la face inférieure 29 correspond sensiblement à l'épaisseur E des canalisations 3, au jeu fonctionnel prés. I1 est important que le dispositif de nettoyage ait des dimensions seulement très légèrement inférieures à celles des canalisations 3, pour effectuer un raclage correct des parois.

Comme illustré en figure 2, l'élément 21 comprend au moins un évidement 25 creusé dans sa masse à chacune de ses deux extrémités 33. Cet évidement présente une forme concave arrondie, c'est-à-dire par exemple comme illustré sur la figure 2, une forme triangulaire dont la pointe 37 est arrondie. Cet évidement 25 débouche d'une part sur la face d'extrémité 33 et d'autre part sur la face inférieure 29 de l'élément 21. Cet évidement 25 présente des parois internes 39 perpendiculaires au plan des faces 27 et 29.

Comme cela sera expliqué en détail ultérieurement, le milieu de culture liquide circulant à l'intérieur des canalisations 3 exerce une poussée sur lesdites parois 39 et permet de déplacer le dispositif de nettoyage 21. On comprendra aisément que la forme des parois 39 pourrait varier et que l'on pourrait également avoir un évidement 25 en demi-cercle, de forme ovale ou triangulaire.

L'isthme formé entre les deux pointes 37 porte la référence 40.

D'une manière plus générale, le dispositif illustré en figure 2, est destiné à nettoyer des canalisations 3 présentant au moins une paroi interne plane, ici la paroi 5. Par contre, les parois latérales et inférieure 7 de ladite canalisation pourraient avoir une forme arrondie. Dans ce cas, le dispositif de nettoyage 21 présente une paroi supérieure 27 également plane mais ses parois latérales 31 et inférieure 29 sont de forme arrondie. On notera que dans ce cas, la présence d'une nervure 23 longitudinale ou en portion d'hélice pourrait être particulièrement intéressante pour nettoyer les parois arrondies de la canalisation 3.

Le dispositif de nettoyage 21 est réalisé dans un matériau tel qu'il présente une densité sensiblement égale à celle du milieu de culture liquide circulant, il peut également être recouvert au moins partiellement d'un matériau à faible coefficient de frottement, comme du polytétrafluoroéthylène (PTFE) afin d'améliorer ses qualités de glissement.

Le fonctionnement du dispositif de nettoyage 21 appliqué à un photobioréacteur du type de celui illustré en figure 1, va maintenant être décrit plus en détail.

Avant d'ajuster les deux collecteurs 9 aux deux extrémités du panneau 1, on place à l'intérieur de chaque canalisation 3 un dispositif de nettoyage 21. On ferme ensuite hermétiquement les collecteurs 9. Sous l'action de la pompe 19, le milieu de culture liquide contenant des microorganismes en suspens ion est introduit à l'intérieur des canalisations 3 du photobioréacteur, puis déplacé selon un mouvement de va-et-vient à l'intérieur de chacune des canalisations 3 (flèche AR). Chaque dispositif de nettoyage 21 est captif de la canalisation 3 dans laquelle il est placé.

Sous l'action du mouvement de va-et-vient du milieu de culture liquide, l'élément 21 se déplace d'une extrémité à l'autre de la canalisation. La période de mouvement du milieu de culture liquide est suffisante pour que le dispositif de nettoyage 21 puisse parcourir toute la longueur de la canalisation 3. Comme cela a déjà été décrit rapidement précédemment, le milieu de culture liquide exerce une pression sur les parois internes 39 de chaque évidement 25.

Comme illustré en figure 3, lorsque le dispositif de nettoyage 21 arrive à l'extrémité d'une canalisation 3, il pénètre partiellement à l'intérieur du collecteur 9. Ainsi, l'évidement 25 arrivant en butée contre le fond du collecteur 9, (dit arbitrairement évidement avant), ainsi qu'une partie 45 de l'évidement 25 arrière pénètrent dans la conduite 11 du collecteur 9. Le milieu de culture liquide peut alors s'échapper librement à l'intérieur de la conduite 11 selon la flèche Fl, sans que le dispositif de nettoyage 21 ne constitue un bouchon. Seule la présence de cet évidement 25 permet la circulation du milieu de culture vers la conduite 11.

Lorsque le sens de circulation à l'intérieur de la pompe 19 est inversé, le liquide provenant du collecteur 9 exerce une pression sur l'isthme central 40, comme cela est représenté par la flèche F2. Ceci a pour effet de dégager le dispositif de nettoyage 21 et de le faire circuler dans l'autre sens. On notera que la forme du dispositif de nettoyage 21 est telle que la vitesse du milieu de culture passe, moyennant une légère accélération, de la vitesse moyenne à l'intérieur de la canalisation 3 à la vitesse moyenne dans la conduite 11.

En outre, la circulation du milieu de culture liquide crée sur le dispositif de nettoyage 21 un effet de ventouse, ce qui plaque les nervures biseautées 23 contre la paroi interne supérieure 5 de la canalisation 3. On notera qu'il serait également possible de placer l'élément 21 à l'intérieur de la canalisation 3, de façon que les moyens de raclage 23 soient dirigés vers la paroi interne 7 si le nettoyage de celle-ci s'avérait nécessaire. Dans ce cas, les collecteurs 9 seraient tournés de 1800, afin que les conduites 11 soient du même côté que les évidements 25 de l'élément 21.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif de nettoyage des canalisations rectilignes (3) d'un photobioréacteur, ces canalisations présentant au moins une paroi interne plane (5), le photobioréacteur contenant des microorganismes en suspension dans un milieu de culture liquide, mis en circulation à l'intérieur desdites canalisations (3) par des moyens de pompage (19), caractérisé en ce qu'il est constitué d'un élément de nettoyage (21) comprenant au moins une face plane (27), conçu pour être disposé à l'intérieur des canalisations (3) du photobioréacteur, cet élément de nettoyage (21) comprenant des moyens de raclage (23) des parois internes (5, 7) desdites canalisations (3) et au moins un évidement (25) à chacune de ses deux extrémités (33), chaque évidement (25) présentant des parois internes (39) sur lesquelles le milieu de culture liquide circulant exerce une poussée, cet évidement (25) étant ouvert sur l'extrémité (33) dudit élément (21) et sur la face opposée (29) à ladite face plane (27), de façon à permettre l'écoulement du milieu de culture lorsque l'élément de nettoyage (21) est aux extrémités desdites canalisations (3).

2. Dispositif de nettoyage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de raclage (23) comprennent au moins une nervure dont le bord (35) a une forme correspondant à celle de la paroi interne (5, 7) de la canalisation (3) que ledit dispositif nettoie.

3. Dispositif de nettoyage selon la revendication 2, caractérisé en ce que la nervure (23) est disposée sur ladite face plane (27) de l'élément de nettoyage (21) et en ce qu'elle s'étend sensiblement perpendiculairement à celle-ci.

4. Dispositif de nettoyage selon la revendication 1, destiné à nettoyer des canalisations (3) dont la section à la forme d'un parallélogramme, caractérisé en ce que l'élément de nettoyage (21) a la forme d'un parallélépipède présentant une face supérieure (27), une face inférieure (29) et deux faces d'extrémité (33) et en ce qu'au moins une nervure biseautée (23) est prévue sur la face supérieure (27).

5. Dispositif de nettoyage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'évidement (25) présente une forme concave arrondie.

6. Dispositif de nettoyage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de nettoyage (21) présente une densité sensiblement égale à celle du milieu de culture se trouvant dans les canalisations (3).

7. Dispositif de nettoyage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de nettoyage (21) est recouvert au moins partiellement d'une matière plastique à faible coefficient de frottement.

8. Photobioréacteur de culture de microorganismes photosynthétiques comprenant une série de canalisations rectilignes (3) montées en parallèle et présentant au moins une face interne plane (5) et à l'intérieur desquelles circulent lesdits microorganismes en suspension dans un milieu de culture liquide, ce milieu étant mis en circulation par des moyens de pompage (19), de façon à effectuer un mouvement de va-et-vient d'une extrémité à l'autre de chacune desdites canalisations (3), caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif de nettoyage (21) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, ce dispositif (21) étant placé à l'intérieur desdites canalisations (3).