La présente invention concerne un photobioréacteur, notamment pour la croissance et le développement de microorganismes photosynthétiques tels que des microalgues ou des cyanobactéries. Les microalgues et les cyanobactéries sont des organismes aquatiques dont la taille varie du micron à la centaine de microns et qui utilisent la lumière comme source d'énergie pour fixer le dioxyde de carbone (CO2). Comme les végétaux terrestres, les microalgues et les cyanobactéries peuvent accumuler le carbone absorbé sous forme de lipides, ce qui permet d'envisager de les utiliser pour produire des biocarburants. Une telle utilisation est d'autant plus prometteuse que les microalgues et les cyanobactéries présentent un rendement photosynthétique et un taux de croissance cellulaire très élevés (une à plusieurs dizaines de fois supérieurs à ceux des oléagineux terrestres tels que colza, tournesol...) et que la fraction de biomasse directement utilisable est maximale (à l'inverse, les végétaux terrestres dévoient une partie du carbone absorbé vers des molécules lignocellulosiques, plus difficiles voire impossible à valoriser). Pour que la production en lipides utilisables (essentiellement les triglycérides) soit maximale, il convient de soumettre les microalgues et cyanobactéries à des cycles alternant croissance et production d'huile. La croissance est obtenue en alimentant les microalgues en dioxyde de carbone et en azote, sous une intensité lumineuse moyenne à faible ; la production d'huile est stimulée par un stress généré par une carence en azote et/ou une augmentation soudaine de l'intensité lumineuse. Lorsque les conditions sont optimisées, les microalgues et cyanobactéries peuvent accumuler une quantité de lipides allant jusqu'à 80% de leur poids sec. Il existe actuellement deux manières de produire des microalgues et cyanobactéries : la culture à ciel ouvert, dans des étangs de type "champ de course", et la culture dans une enceinte fermée transparente appelée photobioréacteur. Les cultures ouvertes offrent des rendements moindres, exigent un apport en eau important pour compenser l'évaporation et sont sensibles à la contamination. Les photobioréacteurs peuvent compenser un coût supérieur par des productivités élevées, grâce à une plus grande maîtrise des conditions d'accès aux ressources nutritives, de l'exposition à la lumière et du transfert du CO2 de la phase gazeuse vers la phase liquide. Il existe deux grands types de photobioréacteur : les photobioréacteurs plats et les photobioréacteurs tubulaires. Les photobioréacteurs plats sont essentiellement composés de deux panneaux transparents parallèles entre lesquels circule une mince couche de milieu de culture selon un parcours à chicanes. Les photobioréacteurs plats sont aujourd'hui délaissés en raison des problèmes de fuite qu'ils rencontrent, de leur propension aux salissures (due aux chicanes) et du grand nombre d'unités qu'il serait nécessaire de mettre en oeuvre pour envisager une exploitation industrielle et commerciale. Les photobioréacteurs tubulaires comprennent un ou plusieurs tubes transparents de longueurs et de diamètres (ou largeurs) divers. On distingue : - les photobioréacteurs de type colonne, formé d'une large colonne dressée verticalement dont le diamètre varie généralement entre 30 et 60 cm; - les photobioréacteurs plans comprenant une pluralité de tubes rigides, généralement de plus faibles diamètres (moins de 15 cm), disposés côte à côte et reliés à la façon d'un serpentin, les tubes s'étendant tous dans un même plan horizontal, incliné ou vertical ; - les photobioréacteurs triangulaires comprenant une pluralité de tubes triangulaires agencés côte à côte, le photobioréacteur ayant par conséquent la forme d'un prisme à base triangulaire ; - les photobioréacteurs hélicoïdaux, constitués à l'aide d'un tube unique de grande longueur enroulé en hélice autour d'une structure verticale ; - les photobioréacteurs dont les tubes sont formés dans un panneau rigide extrudé à double paroi. De la géométrie du photobioréacteur dépend l'exposition des microorganismes à la lumière. Les photobioréacteurs tubulaires autorisent une grande flexibilité en taille et en volume et peuvent être aisément équipés de dispositifs d'agitation et de circulation de types divers, en fonction des microalgues ou cyanobactéries cultivées. Cela étant, les photobioréacteurs tubulaires connus présentent l'inconvénient d'un grand encombrement au sol, ce qui limite le rendement à l'hectare obtenu. L'invention vise à pallier cet inconvénient en proposant un photobioréacteur tubulaire à géométrie innovante, dont l'encombrement au sol est réduit pour un rendement équivalent ou supérieur à celui offert par un photobioréacteur connu de même volume de culture. Pour ce faire, l'invention propose un photobioréacteur comprenant une pluralité de tubes de réaction, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un réflecteur agencé d'un côté du photobioréacteur et en ce que les tubes sont agencés selon une pluralité de nappes qui se succèdent selon une direction normale au réflecteur prise en une région centrale de celui-ci, chaque nappe comportant plusieurs tubes. De préférence, les tubes sont agencés dans le photobioréacteur de façon à ce que chaque tube ne soit pas complètement occulté par un autre tube selon cette direction normale. Le photobioréacteur selon l'invention est destiné à être installé en extérieur de façon à ce que le réflecteur s'étende en-dessous des tubes et réfléchisse les rayons du soleil vers ceux-ci. De préférence, il est installé de façon à ce que la direction normale précédemment définie coïncide sensiblement avec la direction du zénith. L'invention réside donc dans la combinaison de l'utilisation d'un réflecteur et de la superposition verticale de nappes de tubes. Le photobioréacteur selon l'invention présente un encombrement réduit comparé aux photobioréacteurs tubulaires (triangulaires ou plans) connus. De préférence, tous les tubes du photobioréacteur selon l'invention sont reliés en série les uns aux autres. En variante, tous les tubes sont reliés en parallèle. En variante, le photobioréacteur comprend plusieurs groupes de tubes, les tubes d'un même groupe étant reliés en série, les groupes étant reliés en parallèle. Avantageusement, tous les tubes du photobioréacteur selon l'invention sont rectilignes et s'étendent selon une même direction orthogonale à la direction normale au réflecteur. Les tubes s'étendent donc horizontalement lorsque le photobioréacteur est installé de façon à ce que la direction normale au réflecteur coïncide sensiblement avec la direction du zénith. Avantageusement, le réflecteur est cylindrique de section en arc de cercle ou ovale (par exemple parabolique ou semi-elliptique), et les tubes s'étendent parallèlement à la génératrice du réflecteur. Ainsi, chaque tube reçoit sensiblement la même intensité lumineuse sur toute sa longueur lorsque le photobioréacteur est installé de façon à ce que les tubes s'étendent selon une direction nord-sud ou dans des plans nord-sud. Selon un agencement préféré, les nappes sont toutes cylindriques de section circulaire ou ovale, et concentriques. Les nappes "suivent" ainsi la course du soleil. Avantageusement, le photobioréacteur selon l'invention présente au moins deux tubes de diamètres différents reliés entre eux. Le débit de circulation du milieu de culture étant constant d'un tube à l'autre au sein du photobioréacteur, la vitesse de circulation est accrue dans le ou les tubes de diamètre réduit. Cette accélération du milieu de culture évite la sédimentation et la floculation des microorganismes. De préférence, les tubes d'une même nappe présentent des diamètres identiques et le diamètre des tubes diminue d'une nappe à la suivante depuis la périphérie vers le centre du photobioréacteur. A noter que le terme "diamètre" désigne ici de façon générale la plus grande dimension transversale de chaque tube (il s'agit d'un diamètre au sens usuel du terme uniquement lorsque le tube présente une section droite circulaire, étant précisé que l'invention n'est pas limitée à des tubes de section circulaire). Un tel agencement permet non seulement d'accélérer le milieu de culture dans les tubes s'étendant en partie centrale du photobioréacteur, mais aussi d'optimiser l'exposition des tubes à la lumière. En effet, la quantité et la qualité de la lumière réellement disponible pour chaque microorganisme dans un tube dépend non seulement du flux lumineux incident frappant le tube mais aussi du diamètre dudit tube : l'irradiance est atténuée de façon exponentielle à l'intérieur du tube en fonction de la profondeur de milieu de culture (pour une concentration cellulaire donnée), en raison d'un phénomène connu sous le nom d'auto-ombrage et qui résulte de l'absorption et de la diffusion de la lumière par les microorganismes. Dans le photobioréacteur selon l'invention, les tubes situés en partie centrale du photobioréacteur sont susceptibles d'être partiellement cachés, selon la direction des rayons lumineux incidents, par les tubes situés en partie périphérique du photobioréacteur. Ils reçoivent donc un flux lumineux incident qui, selon le moment de la journée, peut être inférieur à celui frappant les tubes périphériques. Pour compenser cette plus faible exposition, les tubes centraux présentent avantageusement un diamètre moindre, qui limite les pertes énergétiques par auto-ombrage au sein du tube. De préférence, la différence de diamètre entre les tubes périphériques et centraux est choisie de façon à ne pas compenser totalement la différence d'exposition desdits tubes, afin de créer des zones de plus faible irradiance et des zones de plus forte irradiance. Un accroissement soudain de l'irradiance peut en effet stimuler la production de lipides chez les microorganismes. II n'est cependant pas exclu de choisir d'ajuster les diamètres des tubes périphériques et centraux de façon à obtenir une irradiance sensiblement uniforme linéairement (le long des tubes) dans l'ensemble du photobioréacteur. Avantageusement, le diamètre et le nombre de tubes pour chaque nappe sont choisis de façon à ce que les tubes occupent entre 35% et 50% de la surface de la nappe (la nappe passant par les axes centraux des tubes). En d'autres termes, 50% à 65% des rayons lumineux incidents passent d'une nappe à la nappe suivante depuis la périphérie vers le centre du photobioréacteur. Un tel agencement permet d'optimiser à la fois l'encombrement du photobioréacteur et l'exposition au soleil des tubes situés en partie centrale du photobioréacteur. Avantageusement, le photobioréacteur selon l'invention comprend au moins un dispositif, de préférence une pompe ou éventuellement un injecteur de gaz, pour la circulation axiale d'un milieu de culture à l'intérieur de chaque tube. Par ailleurs, il comporte au moins un déflecteur, de préférence hélicoïdal, pour chaque tube, lesquels déflecteurs favorisent le mélange et l'homogénéisation du milieu de culture. II est possible de remplacer la pompe et les déflecteurs (fixes) par des moyens d'agitation de type hélice, turbine, etc., dans une pluralité ou dans chacun des tubes, dès lors que ces moyens ne sont pas de nature à blesser les microorganismes. L'utilisation de déflecteurs présente l'avantage de préserver l'intégrité cellulaire. De préférence, les tubes sont reliés en série par des coudes de liaison agencés sur deux faces d'extrémité opposées du photobioréacteur. Avantageusement, les coudes de liaison sont disposés de façon à ce qu'au plus trois (ou éventuellement quatre) tubes d'une même nappe soient consécutifs. En d'autres termes, le milieu de culture passe plusieurs fois d'une nappe à une autre au cours d'un cycle complet ; il est ainsi soumis à des expositions au soleil différentes, à des vitesses de circulation différentes, etc., ce de façon alternative. De préférence également, les coudes de liaison sont disposés de sorte que le chemin parcouru par le milieu de culture en circulation soit le plus horizontal possible lorsque le photobioréacteur est installé de façon à ce que la direction normale au réflecteur coïncide sensiblement avec la direction du zénith et/ou à ce que les tubes s'étendent horizontalement. D'autres détails et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, qui se réfère aux dessins schématiques annexés et porte sur des modes de réalisation préférentiels, fournis à titre d'exemples non limitatifs. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue schématique d'une partie principale d'un photobioréacteur selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique en coupe transversale des tubes et du réflecteur du photobioréacteur de la figure 1. Le photobioréacteur selon l'invention illustré sur les figures 1 et 2 est observé dans une position correspondant à sa position d'utilisation. Les termes "vertical", "horizontal', "au-dessus", "en dessous", "inférieur", "supérieur", etc., font référence à cette position. Le photobioréacteur illustré comprend un réflecteur 101 inférieur destiné à être orienté en direction du soleil. Ce réflecteur est cylindrique de section parabolique ou en arc de cercle. Au-dessus de ce réflecteur s'étend une pluralité de tubes 1 à 44 cylindriques. Tous les tubes sont parallèles à la génératrice du réflecteur 101. Chaque tube 1 à 44 mesure environ 6 mètres de long, et les tubes s'étendent en regard les uns des autres transversalement. Chaque tube 1 à 44 est porté à chacune de ses extrémités par une plaque support 102, 103. Ces deux seules plaques servent à la fixation et au support de tous les tubes. Chaque tube 1 à 44 présente une section droite circulaire, ce afin de limiter les dépôts susceptibles de se former sur la paroi interne du tube. Chaque tube 1 à 44 est en un matériau synthétique, tel qu'un polycarbonate, de préférence anti-adhérent ou pourvu d'un revêtement interne anti-adhérent afin d'éviter ou de limiter la formation de dépôts sur la paroi interne du tube. La référence N indique une direction normale au réflecteur 101 contenue dans un plan longitudinal médian de celui-ci (le terme "médian" signifiant que le plan coupe le réflecteur en deux parties égales). Selon l'invention, les tubes sont agencés en nappes qui se succèdent selon cette direction normale au-dessus du réflecteur 101. En l'exemple illustré, le photobioréacteur comprend trois nappes cylindriques de section circulaire. Ces nappes sont par ailleurs concentriques, leur centre commun s'élevant à environ 3 mètres du sol.
Une telle configuration permet de loger un nombre maximal de tubes par unité de surface au sol, tout en garantissant une irradiance optimale pour chacun des tubes. Plus précisément, le photobioréacteur illustré comprend : - une nappe extérieure 104 (cylindrique de section circulaire) de rayon RI de l'ordre de 182 cm, cette nappe 104 comportant seize tubes référencés 1 à 16 présentant tous un diamètre interne de l'ordre de 34 cm ; - une nappe intermédiaire 105 (cylindrique de section circulaire) de rayon R2 de l'ordre de 142 cm, cette nappe 105 comportant quinze tubes référencés 17 à 31 présentant tous un diamètre interne de l'ordre de 28 cm ; - une nappe intérieure 106 (cylindrique de section circulaire) de rayon R3 de l'ordre de 92 cm, cette nappe 106 comportant treize tubes référencés 32 à 44 présentant tous un diamètre interne de l'ordre de 22 cm. Les tubes de la nappe intermédiaire 105 sont calés angulairement par rapport aux tubes de la nappe extérieure 104 selon un angle de calage qui est choisi de façon à maximiser la quantité de lumière atteignant les tubes de la nappe intermédiaire. A cette fin, le tube 17 est de préférence centré angulairement par rapport aux tubes 1 et 16. De même, les tubes de la nappe intérieure 106 sont calés angulairement par rapport aux tubes des nappes extérieure 104 et intermédiaire 105 selon un angle de calage qui est choisi de façon à maximiser la quantité de lumière atteignant les tubes de la nappe intérieure. En l'exemple illustré, le tube 33 est centré angulairement par rapport aux tubes 18 et 19. L'agencement de l'ensemble des tubes est de plus choisi de sorte qu'une partie significative des rayons lumineux incidents traverse l'ensemble des nappes et atteigne le réflecteur 101 en vue de la réflexion desdits rayons vers les tubes. Dans la configuration illustrée, le photobioréacteur selon l'invention possède une surface éclairée par le soleil de l'ordre de 235 m2 et occupe une surface au sol de 35 m2, soit un coefficient multiplicateur de 6,7. II peut par ailleurs recevoir un volume de milieu de culture de 17 210 litres. Sur chaque nappe circulaire, les tubes sont distants d'un arc de cercle de longueur égale au diamètre des tubes de la nappe augmenté par un coefficient multiplicateur compris entre 1,01 et 1,15. Les tubes sont reliés en série à l'aide de coudes de liaison 45-49 s'étendant en saillie des plaques supports 102, 103 (vers l'extérieur du photobioréacteur). Par souci de clarté, seuls les coudes situés du côté de la plaque support 102 sont représentés. Les coudes de liaison sont agencés de façon à permettre de faire circuler un milieu de culture selon le chemin suivant : tube 1, tube 2, tube 3, tube 19, tube 18, tube 17, tube 32, tube 33, tube 34, tube 20, tube 4, tube 5, tube 6, tube 22, tube 21, tube 35, tube 36, tube 37, tube 23, tube 7, tube 8, tube 9, tube 25, tube 24, tube 38, tube 39, tube 40, tube 26, tube 10, tube 11, tube 12, tube 28, tube 27, tube 41, tube 42, tube 29, tube 13, tube 14, tube 30, tube 43, tube 44, tube 31, tube 15, tube 16. Ce chemin est avantageusement défini de façon à limiter la circulation verticale du milieu de culture. L'entrée du milieu de culture dans le photobioréacteur s'effectue en partie haute du photobioréacteur par le tube 1 ; le milieu en sort également en partie haute par le tube 16, pour être filtré ou réintroduit dans le tube 1 pour un cycle supplémentaire. En conséquence, du côté de la plaque support 102 sont prévus les coudes suivants : un coude 45 reliant les tubes 2 et 3, un coude reliant les tubes 19 et 18, un coude reliant les tubes 17 et 32, un coude reliant les tubes 33 et 34, un coude reliant les tubes 20 et 4, un coude reliant les tubes 5 et 6, un coude reliant les tubes 22 et 21, un coude reliant les tubes 35 et 36, un coude reliant les tubes 37 et 23, un coude reliant les tubes 7 et 8, un coude reliant les tubes 9 et 25, un coude reliant les tubes 24 et 38, un coude reliant les tubes 39 et 40, un coude reliant les tubes 26 et 10, un coude reliant les tubes 11 et 12, un coude reliant les tubes 28 et 27, un coude reliant les tubes 41 et 42, un coude reliant les tubes 29 et 13, un coude reliant les tubes 14 et 30, un coude reliant les tubes 43 et 44, un coude reliant les tubes 31 et 15. Du côté de la plaque support 103 sont donc prévus les coudes suivants : un coude reliant les tubes 3 et 19, un coude reliant les tubes 18 et 17, un coude reliant les tubes 32 et 33, un coude reliant les tubes 34 et 20, un coude reliant les tubes 4 et 5, un coude reliant les tubes 6 et 22, un coude reliant les tubes 21 et 35, un coude reliant les tubes 36 et 37, un coude reliant les tubes 23 et 7, un coude reliant les tubes 8 et 9, un coude reliant les tubes 25 et 24, un coude reliant les tubes 38 et 39, un coude reliant les tubes 40 et 26, un coude reliant les tubes 10 et 11, un coude reliant les tubes 12 et 28, un coude reliant les tubes 27 et 41, un coude reliant les tubes 42 et 29, un coude reliant les tubes 13 et 14, un coude reliant les tubes 30 et 43, un coude reliant les tubes 44 et 31, un coude reliant les tubes 15 et 16. Chaque tube est équipé d'au moins trois diffuseurs (non représentés) à débit variable, agencés au niveau de la plaque support 102, 103 en entrée (dans le sens de circulation du milieu) dudit tube, à savoir : un premier diffuseur apte à libérer du CO2 dans le tube, un deuxième diffuseur apte à libérer des oxydes d'azote (NOx) dans le tube en vue de provoquer des stress azotés de façon temporaire et en temps opportun, un troisième diffuseur pour la délivrance de nutriments (oligoéléments et silice notamment). Chaque tube peut également être équipé d'un quatrième diffuseur pour la délivrance de carbone organique si le milieu de culture contient des microorganismes hétérotrophes au carbone. En variante, seulement certains tubes sont équipés d'un ou de plusieurs diffuseurs (CO2, NOx, nutriments ou carbone organique). Le photobioréacteur comprend de plus une pompe à débit variable (non représentée) pour la circulation du milieu de culture. Le photobioréacteur illustré présentant un volume d'environ 17 m3, la pompe est avantageusement choisie de façon à pouvoir assurer un débit compris entre 17 et 105 m3/h, c'est-à-dire entre un et six cycles complets par heure. La vitesse de circulation du milieu varie du simple au double entre les tubes 1 à 16 de la nappe extérieure 104 et les tubes 32 à 44 de la nappe intérieure 106. A noter que le photobioréacteur peut éventuellement comprendre plusieurs pompes, si nécessaire. Chaque tube incorpore deux déflecteurs hélicoïdaux 50 (en forme d'hélice à pales ou, selon une variante non représentée, en forme de vis), l'un situé à l'entrée du tube et l'autre situé à sa sortie. Les déflecteurs peuvent en variante être incorporés dans les coudes de liaison. La forme (angle d'attaque, pas, longueur, diamètre, bord arrondi...) et le matériau constitutif des déflecteurs sont choisis de façon à ne pas blesser les microorganismes. Ces déflecteurs favorisent le brassage du milieu de culture. De préférence, le photobioréacteur comprend également un réservoir tampon en sortie, agencé de façon à recevoir le milieu de culture sortant du tube 16. Le volume de ce réservoir tampon peut être de l'ordre de 1000 litres. Il est de préférence situé à la même hauteur que la sortie du tube 16 afin d'éviter toute perte de charge qui serait liée à la dénivellation. Ce réservoir tampon peut également servir de réservoir de dérivation pour relier deux photobioréacteurs entre eux, en série ou en parallèle. Dans sa partie haute, le réservoir tampon est avantageusement muni d'une membrane perméable à l'oxygène et imperméable au dioxyde de carbone. Le cas échéant, si nécessaire, une pompe peut aussi ou alternativement être prévue pour assurer un vide partiel dans le réservoir tampon afin d'évacuer l'oxygène dégagé par les microorganismes. Un tel photobioréacteur est destiné à être installé de sorte que la direction normale N coïncide sensiblement avec la direction du zénith et que les tubes 1 à 44 s'étendent selon des directions (horizontales) nord-sud, afin de capter un maximum d'énergie lumineuse tout au long de la course du soleil. Il est aussi possible d'incliner légèrement le photobioréacteur de façon à ce que les rayons lumineux incidents soient orthogonaux aux axes des tubes en milieu de journée (lorsque le soleil est au plus haut). Le photobioréacteur selon l'invention est particulièrement destiné à l'industrie des biocarburants (pour le développement de microalgues riches en lipides) ainsi qu'à l'industrie agroalimentaire et à l'industrie cosmétique et pharmaceutique. L'invention peut faire l'objet de nombreuses variantes par rapport au mode de réalisation illustré, dès lors que ces variantes entrent dans le cadre délimité par les revendications. Par exemple, la nappe extérieure 104 pourrait comprendre dix-sept tubes (de 34 cm de diamètre) et présenter un rayon de 192 cm. En variante, le photobioréacteur pourrait présenter les caractéristiques suivantes : - une première nappe cylindrique de section circulaire et de rayon de l'ordre de 200 cm, cette nappe comportant vingt-cinq tubes de 22 cm de diamètre interne ; - une deuxième nappe cylindrique de section circulaire et de rayon de l'ordre de 160 cm, cette nappe comportant vingt-cinq tubes de 18 cm de diamètre interne ; - une troisième nappe cylindrique de section circulaire et de rayon de l'ordre de 124 cm, cette nappe comportant vingt-cinq tubes de 14 cm de diamètre interne ; - une quatrième nappe cylindrique de section circulaire et de rayon de l'ordre de 92 cm, cette nappe comportant vingt et un tubes de 12 cm de diamètre interne.
Ce mode de réalisation offre 301 m2 de surface éclairée et occupe une surface au sol de 35 m2, soit un coefficient multiplicateur de 8,62, pour un volume de milieu de culture de 13 250 litres (si la longueur des tubes est de 6 m). Dans des régions de fort ensoleillement, il peut être opportun de prévoir cinq nappes concentriques, de 92 cm à 225 cm de rayon, avec des tubes de 11 cm à 24 cm de diamètre. De façon générale, l'invention n'est pas limitée au nombre de nappes, rayons des nappes, nombre de tubes, diamètres et longueur des tubes décrits et illustrés. Les diverses dimensions caractéristiques du photobioréacteur doivent être choisies notamment en fonction de l'ensoleillement du lieu d'installation du photobioréacteur et de la variété de microorganismes cultivée. L'invention n'est pas non plus limitée à des nappes de section circulaire. Elle s'étend par exemple à des nappes planes.