FR3098828A1 - Dispositif et procédé de production de microorganismes photosynthétiques en photobioréacteur - Google Patents

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Abstract

Dispositif et procédé de production de microorganismes photosynthétiques en photobioréacteur La présente invention a pour objet un dispositif de photobioréacteur (1) comprenant une enceinte de culture (2), contenant un milieu réactionnel (3) de croissance de microorganismes, munie d’au moins un moyen d’agitation dudit milieu (3). Ledit dispositif (1) comporte une boucle fermée (6), partant de ladite enceinte dudit dispositif (1), intégrant une pompe d’extraction (7) du milieu réactionnel (3) vers une unité d’extraction (9) de la biomasse (10) que comporte ladite boucle, laquelle unité (9) incorpore un moyen de séparation d’une partie de la biomasse (10) du milieu réactionnel (3) pour l’obtention d’un milieu réactionnel clarifié (10a) qui est renvoyé dans ladite enceinte (2). Ledit dispositif (1) comporte encore au moins un moyen de mesure (14, 14a) de la concentration de la biomasse ou de l’activité photosynthétique dans ledit milieu réactionnel (3, 10), et une unité (15) de traitement des mesures et de contrôle apte à actionner ladite pompe (7). (figure 1)

Description

Dispositif et procédé de production de microorganismes photosynthétiques en photobioréacteur
La présente invention concerne le domaine général de la production de microorganismes photosynthétiques.
L’invention concerne, plus particulièrement, un dispositif de photobioréacteur pour une telle production de microorganismes photosynthétiques.
La présente invention est également relative à un procédé de production efficace de microorganismes photosynthétiques, et en particulier de microalgues, en photobioréacteur.
De manière générale, un photobioréacteur est un système assurant la croissance ou culture de microorganismes photosynthétiques en suspension dans l'eau dans un milieu de culture, comme par exemple des microalgues, mais également d’autres types de microorganismes, comme des bactéries photosynthétiques ou cyanobactéries, des cellules végétales isolées, etc.
En ce qui concerne les microalgues, celles-ci peuvent consister en des organismes eucaryotes, et peuvent également être dénommées microphytes ou phytoplancton. Ce sont des algues microscopiques, unicellulaires ou pluricellulaires indifférenciées, pélagiques, c’est-à-dire circulant généralement en eau libre, du fond à la surface de cette eau, et retrouvées en concentration plus ou moins importante dans les milieux aquatiques.
Cependant, les microalgues peuvent également coloniser des supports non aquatiques, comme des sols, des rochers, des arbres, etc.
Les microalgues peuvent également appartenir au règne des organismes procaryotes et, dans ce cas, on parlera plus spécifiquement de cyanobactéries.
Les microalgues, qu’elles soient eucaryotes ou procaryotes, peuvent être des organismes à métabolisme dit « autotrophe », utilisant la lumière et une source de carbone inorganique, comme le dioxyde de carbone CO2, pour la synthèse de leur énergie. Certaines de ces microalgues peuvent présenter un métabolisme mixotrophe, c’est à dire à la fois autotrophe et hétérotrophe, consécutivement ou simultanément. Certaines, encore, peuvent présenter un métabolisme hétérotrophe.
Les organismes autotrophes sont plus particulièrement capables de réaliser la photosynthèse oxygénique pour leur métabolisme, une réaction d’oxydoréduction assurant la transformation de ce carbone inorganique CO2(dans toutes ses formes dissoutes) et de l’eau (H2O) en composés organiques (sucres simples) et en dioxygène (O2).
La réaction de photosynthèse s’effectue en deux étapes, qui peuvent être décrites, de manière simplifiée, comme suit :
  • la phase lumineuse, également dénommée phase claire, au cours de laquelle la réaction est catalysée par l’énergie lumineuse qui est convertie en énergie chimique pour produire du NADPH2et de l’ATP, tandis que les molécules d’eau H2O subissent une photolyse pour produire de l’oxygène ;
  • la phase sombre, également dénommée phase obscure ou phase non photochimique, dans laquelle le dioxyde de carbone CO2est réduit en molécules de sucres simples.
La production annuelle mondiale des microorganismes photosynthétiques est estimée à environ 10 000 à 15 000 tonnes de matière sèche, le principal microorganisme produit étant une cyanobactérie, la spiruline.
En ce qui concerne les microalgues, il en existe de nombreuses espèces. Ainsi, la famille des microalgues rassemblerait de plusieurs centaines de milliers à plusieurs millions d’espèces, dont une partie seulement ont été décrites. De cette biodiversité importante découle une hétérogénéité dans les propriétés exploitables de manière industrielle ; par conséquent, le potentiel d’applications des microalgues est relativement étendu.
Ainsi, en fonction de ses propriétés, chaque type de microalgues, ou plus généralement chaque type de microorganismes photosynthétiques, peut être utilisé soit dans le domaine nutritionnel, en tant que complément alimentaire dans l’alimentation humaine, ou bien dans l’alimentation animale, soit dans le domaine cosmétique, en produisant des molécules d’intérêt entrant dans la composition de produits cosmétiques, ou bien encore dans le domaine de l’environnement et de l’énergie, par exemple pour le traitement d’effluents liquides ou gazeux, de métaux, dans les domaines de la chimie, de la pharmacie, etc.
Les microalgues peuvent ainsi, en particulier, être mises en œuvre dans des procédés de production de bioénergies :
  • Par combustion directe de biomasse sèche obtenue à partir de microalgues ;
  • La fermentation de sucres accumulés dans les microalgues peuvent entraîner, par conversion biochimique, la production de méthane et d’éthanol ;
  • La conversion biochimique permet également de produire de l’hydrogène par fermentation de tout ou partie de la cellule ;
  • Etc.
Traditionnellement, il existe, dans l’état de la technique, deux principales méthodes de culture industrielle des microorganismes photosynthétiques autotrophes.
La première technique de culture autotrophe est réalisée dans des bassins ouverts, avec ou sans circulation du milieu, ces bassins étant également dénommés « raceway », du fait de leur forme semblable à celle d’un hippodrome.
La deuxième technique de culture autotrophe des microorganismes photosynthétiques s’effectue, cette fois, en milieu fermé, dans des photobioréacteurs.
Les photobioréacteurs consistent en des enceintes, fabriquées à partir d’un matériau transparent ou translucide, et éclairées par une lumière soit naturelle (lumière solaire), soit artificielle, et dans lesquelles enceintes sont cultivées les microalgues.
Il existe trois types principaux de photobioréacteurs.
En premier lieu, on connait les photobioréacteurs plats, dont la structure est majoritairement verticale et de faible épaisseur, offrant ainsi une surface d’échange importante avec la lumière.
La température à l’intérieur de ces photobioréacteurs plats est cependant difficile à contrôler, notamment en raison de la large surface exposée au soleil, en relative comparaison avec la surface de refroidissement qui est réduite, du fait de la faible épaisseur de la structure.
On connait également les photobioréacteurs tubulaires comprenant un réseau de tubes transparents pouvant être positionnés horizontalement, verticalement, en hélice ou de manière inclinée. Dans ces tubes, de faible diamètre pour tenter de permettre une pénétration optimale et maximale de la lumière, circule librement la culture de microorganismes photosynthétiques.
Cependant, quelle que soit la configuration du photobioréacteur, lorsque la densité en microorganismes photosynthétiques devient trop importante au sein de la culture, un phénomène d’auto-ombrage est susceptible de se mettre en place. Un tel phénomène consiste, plus particulièrement, en une réduction de la pénétration de la lumière au centre, ou cœur, du photobioréacteur, par les microorganismes présents en concentration importante en périphérie de celui-ci.
Ce phénomène d’auto-ombrage d’une culture de microorganismes photosynthétiques, expliqué plus en détails ci-après dans la description de l’invention, peut d’ailleurs être encore accentué par la formation de biofilms de microorganismes sur les surfaces internes des parois dudit photobioréacteur, ces biofilms résultant également d’une augmentation de la population de microorganismes.
Etant donné que les rayons lumineux, indispensables au bon déroulement de la photosynthèse, n’atteignent plus les microorganismes présents au niveau du cœur du photobioréacteur, cela engendre une diminution de la productivité en microorganismes, dont la croissance est considérablement ralentie.
Certains documents de l’état de la technique cherchent à répondre à ce problème.
Ainsi, les documents chinois CN 204 417 511 et CN 104 560 695 décrivent un photobioréacteur tubulaire avec un rotor interne entrainé par un fluide. Plus particulièrement, le photobioréacteur comporte principalement un dispositif tampon de stockage de liquide, un corps tubulaire de photobioréacteur avec le rotor, des moyens d’éclairage internes et externes audit corps tubulaire ainsi que des moyens d’injection de gaz, ledit photobioréacteur comprenant, également, une ligne d’extraction du milieu de culture et des algues, reliée à une unité de traitement séparée.
Les moyens d’éclairage internes sont constitués d’un arbre central émettant de la lumière, sous la forme d’un ensemble de fibres optiques, tandis que les moyens d’injection de gaz permettent un apport notamment de CO2au travers d’une vanne et d’un dispositif d’aération poreux, dans la zone tampon de stockage.
Dans le document DE 10 2007 055 569, on propose un arrangement pour obtenir une distribution uniforme et tridimensionnelle de lumière dans un photobioréacteur pour la production, notamment, de microorganismes photoautotrophes, comme des algues, dans un milieu réactionnel. Plus particulièrement, la lumière arrive directement dans le milieu réactionnel au travers de lampes ou de LEDs (diodes électroluminescentes), ou de guides lumineux, arrangés en arbre, pour un éclairage homogène.
On connait également un troisième type de photobioréacteur à colonnes verticales. Comme son nom l’indique, un tel photobioréacteur est constitué d’un cylindre au sein duquel la culture de microalgues est effectuée, l’agitation étant assurée par une injection de gaz.
Le document CN 106 318 853 décrit un photobioréacteur colonnaire avec une source lumineuse externe naturelle ou artificielle et une source lumineuse interne, dans lequel on cherche à créer un flux liquide en spirale ascendante pour un auto-nettoyage des parois internes du réacteur.
Dans le document EP 2 719 753 est décrite une invention s’appliquant aussi bien à un photobioréacteur à colonne agitée, à plaques ou tubulaire, notamment pour la production de microalgues, dans laquelle le milieu réactionnel comporte des particules capables de produire de l’électroluminescence, lesdites particules étant suspendues dans ledit milieu. Plus particulièrement, il peut s’agir de particules à LEDs.
Cependant, dans ce cas, il est nécessaire de prévoir des éléments d’émission de champs électromagnétiques alternatifs, dans la chambre de réaction du réacteur, raccordés à une source d’alimentation en énergie, afin d’exciter lesdites particules.
Ainsi, il ressort de ce qui précède que, généralement, dans les documents de l’état de la technique, on cherche à éviter, ou du moins à minimiser, le phénomène d’auto-ombrage, susceptible d’être responsable d’une carence en lumière nuisible au développement des microorganismes photosynthétiques, en particulier des microalgues, en introduisant une ou plusieurs sources de lumière artificielle, à l’intérieur même du milieu de culture desdits microorganismes photosynthétiques, ces sources lumineuses internes étant couplées à un éclairage, naturel ou artificiel, extérieur.
Toutefois, de telles solutions sont nécessairement très énergivores, du fait de la multiplication de sources lumineuses, tandis que, de manière naturelle, les rayonnements solaires devraient être suffisants pour alimenter en lumière une culture de microorganismes photosynthétiques, ou bien complexes, dans le cas par exemple où des particules en suspension circulent.
A noter encore qu’un autre inconvénient de la présence de nombreuses sources lumineuses, parfois à l’intérieur même des photobioréacteurs, est que ces sources sont susceptibles d’entraîner une élévation de la température au sein du milieu de culture des microorganismes photosynthétiques, alors que cette température doit être scrupuleusement contrôlée pour assurer un développement optimal de l’espèce de microorganismes cultivée, notamment en fonction de la nature de celle-ci et, plus particulièrement, de son optimum de croissance.
Dans le document de brevet FR 2 944 291, on propose de pallier les inconvénients découlant de la multiplication des sources lumineuses en associant, dans une typologie particulière, des sources lumineuses immergées, un système de refroidissement de ces sources lumineuses, ainsi qu’un système de brassage du milieu de culture au moyen d’un dispositif d’injection d’air dans la partie basse de l’enceinte de culture.
Le système de refroidissement évoqué dans ce document, pouvant être associé à un photobioréacteur plat ou à un photobioréacteur à colonnes, est constitué d’un fluide caloporteur circulant dans des enceintes étanches, elles-mêmes reliées à un dispositif de refroidissement du fluide, ce dispositif étant extérieur aux enceintes étanches.
Toutefois, la présence d’un tel dispositif de refroidissement externe, comprenant un échangeur de chaleur, des tuyaux pour acheminer le liquide caloporteur à refroidir vers le refroidisseur puis le renvoyer ensuite vers l’enceinte, des dispositifs de pompage, etc., entraine inévitablement une augmentation de l’encombrement du photobioréacteur qui en est muni.
A noter encore que, s’il permet d’éviter une élévation de la température au sein même du milieu de culture, le système de refroidissement est également consommateur d’énergie, alors que l’on a tendance, à l’heure actuelle, tenant compte des enjeux environnementaux, à chercher à diminuer cette consommation d’énergie.
En outre, les solutions proposées dans l’état de la technique, à savoir la présence et la multiplication de sources lumineuses à l’intérieur d’un photobioréacteur, associées éventuellement à des systèmes de refroidissement, ne permettent pas de remédier efficacement à la problématique découlant de la formation de biofilms sur l’ensemble des surfaces internes au photobioréacteur, ces biofilms empêchant, également, une bonne pénétration des rayons lumineux au sein de la culture.
A noter encore qu’une culture de microorganismes photosynthétiques en photobioréacteur peut être sujette à un processus connu sous le nom de « photoinhibition », dans lequel une quantité trop importante de lumière apportée réduit la capacité photosynthétique desdits microorganismes, notamment par des dommages causés aux photosystèmes II (PSII), un complexe enzymatique intervenant dans la phase claire de la photosynthèse. Toutefois, d’autres réactions aboutissant à une diminution de l’efficacité de la photosynthèse peuvent se dérouler lorsque des microorganismes photosynthétiques sont exposés à un excès de lumière.
Un tel processus de photoinhibition est généralement observé dans un photobioréacteur lorsque la densité de la culture est relativement peu importante, ou en périphérie du photobioréacteur, et aboutit, tout comme le phénomène d’auto-ombrage à une diminution de la productivité au sein du photobioréacteur.
L’invention offre la possibilité de pallier, au moins en partie, les divers inconvénients de l’état de la technique en proposant un dispositif de photobioréacteur dans lequel il a été imaginé, dans une démarche inventive, de mesurer et contrôler en continu le degré de transparence, dans le milieu réactionnel de croissance, des microorganismes photosynthétiques et de réduire, volontairement, la concentration de biomasse de ces microorganismes dans le photobioréacteur, en prélevant périodiquement une partie de cette biomasse, afin de faciliter le passage des rayonnements lumineux au travers du milieu pour pallier le phénomène de d’auto-ombrage, ou limitation de lumière, en évitant cependant une multiplication de sources lumineuses énergivores, une limitation de vitesse de croissance de la population et en évitant le processus de photoinhibition.
A cet effet, la présente invention concerne un dispositif de photobioréacteur pour la culture d’au moins une espèce de microorganismes photosynthétiques, et la production de biomasse ou de produit d’intérêt à partir de ces microorganismes, comprenant, au moins, une enceinte de culture à parois au moins en partie transparentes ou translucides et contenant un milieu réactionnel de croissance desdits microorganismes, ladite enceinte étant munie d’au moins un moyen d’agitation dudit milieu réactionnel.
Ledit dispositif de photobioréacteur est caractérisé en ce qu’il comporte également une boucle fermée, partant de ladite enceinte dudit dispositif de photobioréacteur, et intégrant une pompe d’extraction du milieu réactionnel vers une unité d’extraction de la biomasse que comporte ladite boucle, laquelle unité d’extraction incorpore, au moins, un moyen de séparation d’au moins une partie de la biomasse du milieu réactionnel pour l’obtention d’un milieu réactionnel clarifié qui est renvoyé, par un moyen de réinjection dans ladite enceinte de culture, et en ce que ledit dispositif de photobioréacteur comporte encore, d’une part, au moins un moyen de mesure de la concentration de la biomasse et/ou de l’activité photosynthétique dans ledit milieu réactionnel, et, d’autre part, une unité de traitement des mesures récoltées par ledit moyen de mesure et de contrôle apte à actionner au moins ladite pompe d’extraction en fonction desdites mesures.
Tout préférentiellement, le présent dispositif de photobioréacteur comporte au moins une source lumineuse artificielle.
En ce qui concerne ledit moyen d’agitation du milieu réactionnel, celui-ci consiste, avantageusement, en au moins un moyen d’injection de gaz au sein du milieu réactionnel, ledit gaz injecté comprenant au moins du dioxyde de carbone (CO2).
Selon une particularité de l’invention, ledit moyen de mesure consiste en un moyen de mesure de l’absorbance ou en une sonde de mesure de la capacitance ou en un moyen de mesure du CO2dissous ou en une sonde de mesure du pH.
Ledit moyen de séparation de la biomasse du milieu réactionnel peut consister, dans un exemple de réalisation préférentiel, en un module de filtration ou en un module de centrifugation ou bien encore en un module de décantation.
Dans un exemple de réalisation préférentiel du dispositif de photobioréacteur de l’invention, ledit moyen de mesure de la concentration de la biomasse et/ou de l’activité photosynthétique dans ledit milieu réactionnel est positionné au niveau de l’unité d’extraction de la biomasse pour mesurer la concentration de la biomasse du milieu réactionnel entrant dans cette unité d’extraction.
Dans un autre exemple de réalisation, tout aussi avantageux, ledit moyen de mesure de la concentration de la biomasse et/ou de l’activité photosynthétique dans ledit milieu réactionnel est positionné dans l’enceinte de culture du photobioréacteur.
Préférentiellement, ledit dispositif de photobioréacteur comporte encore des moyens d’extraction du milieu réactionnel usagé et une unité d’approvisionnement en milieu réactionnel neuf.
Ledit dispositif de photobioréacteur de l’invention peut consister soit en un photobioréacteur tubulaire, soit en un photobioréacteur à colonnes verticales ou bien encore en un photobioréacteur à plaques.
La présente invention est également relative à un procédé de culture d’au moins une espèce de microorganismes photosynthétiques et de production de biomasse à partir de ces microorganismes, dans un milieu réactionnel adéquat contenu dans une enceinte de culture d’un photobioréacteur, ledit procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend, au moins, les étapes suivantes :
  • on inocule ledit milieu réactionnel avec lesdits microorganismes, et on permet la croissance et la multiplication desdits microorganismes ;
  • on mesure, en continu, la concentration en biomasse dans ledit milieu réactionnel ;
  • on définit une concentration optimale seuil en biomasse dans ledit milieu réactionnel , selon le type de microorganismes que l’on souhaite cultiver, correspondant à une faible densité cellulaire dans le milieu réactionnel et une productivité volumétrique horaire de biomasse importante ;
  • une fois cette concentration optimale seuil en biomasse atteinte dans ledit milieu réactionnel, on prélève en continu du milieu réactionnel dans l’enceinte de culture et on sépare au moins une partie de la biomasse dudit milieu réactionnel et on obtient un milieu réactionnel clarifié ;
  • on renvoie ledit milieu réactionnel clarifié vers l’enceinte de culture.
Le dispositif et le procédé de production de microorganismes photosynthétiques en photobioréacteur selon l’invention permettent, en conséquence, de manière particulièrement avantageuse et simple à mettre en œuvre, en régulant la densité de la culture, de maintenir celle-ci à une concentration cellulaire telle que la dose de lumière moyenne par cellule soit optimale, assurant une productivité maximale, une telle concentration évitant le phénomène d’auto-ombrage au sein du bioréacteur tout en prévenant la mise en place des processus de photoinhibition.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre des modes de réalisation non limitatifs de l’invention, en référence à l’unique figure annexée, la figure 1, représentant, de manière schématique, un mode de réalisation particulier et non limitatif d’un dispositif de photobioréacteur conforme à la présente invention.
En référence à cette figure, la présente invention est, plus particulièrement, relative à un dispositif de photobioréacteur 1, ou photobioréacteur, pour la culture d’au moins une espèce de microorganismes photosynthétiques, notamment photoautotrophes, c’est-à-dire des microorganismes utilisant de la lumière comme source d'énergie et du CO2en tant que source de carbone, sous la forme de CO2gazeux ou sous la forme de sels de bicarbonate ou de carbonates, pour la production de biomasse à partir de ces microorganismes.
A noter que le photobioréacteur 1 de l’invention peut tout aussi bien être utilisé pour la culture d’une seule espèce de microorganismes photosynthétiques ou bien pour la culture d’un mélange comprenant plusieurs espèces de microorganismes photosynthétiques différentes.
Le photobioréacteur 1 de l’invention est destiné, plus particulièrement, à une application dans la croissance et la multiplication de microalgues eucaryotes ou procaryotes.
Les microalgues sont des organismes capables d’effectuer la photosynthèse, et donc de se multiplier sur un milieu minéral, en utilisant du dioxyde de carbone CO2et de l’énergie lumineuse pour leur métabolisme.
Le photobioréacteur 1 de l’invention comporte, à cet effet, une enceinte de culture 2 pouvant présenter une forme cylindrique, dans le cas d’un photobioréacteur 1 à colonne(s) verticale(s), comme illustré sur la figure jointe.
Toutefois, un tel mode de réalisation ne doit pas être considéré comme étant limitatif, ladite enceinte 2 pouvant également présenter une forme parallélépipédique ou toute autre forme adaptée.
A noter encore que le photobioréacteur 1 de l’invention peut consister soit en un photobioréacteur tubulaire, en un photobioréacteur à colonnes verticales, ou bien encore en un photobioréacteur à plaques, ouvert ou fermé.
Les parois de ladite enceinte 2 sont transparentes ou translucides, au moins en partie et, de préférence, en totalité, en sorte de permettre le passage des rayons lumineux 5 depuis l’extérieur de l’enceinte 2 vers l’intérieur de celle-ci, au sein d’un milieu réactionnel 3 pour fournir l’énergie lumineuse nécessaire au déroulement de la réaction de photosynthèse effectuée par les microorganismes photosynthétiques à cultiver, notamment les microalgues.
L’enceinte 2 du photobioréacteur 1 est, en effet, destinée à contenir un milieu réactionnel 3 apte à permettre la croissance des microorganismes photosynthétiques que l’on souhaite cultiver en vue de produire de la biomasse.
Dans le contexte de la présente invention, on entend par « milieu réactionnel 3 » un milieu nutritif contenant au moins un microorganisme photosynthétique, autrement dit une culture.
En ce qui concerne sa composition nutritive, ledit milieu réactionnel 3 consiste en un milieu aqueux qui contient les nutriments organiques et/ou inorganiques adaptés à la croissance du ou des microorganisme(s) photoautotrophe(s), notamment, que l’on souhaite produire à grande échelle, par exemple des ions phosphates, nitrates, sodium, potassium, soufre, magnésium, manganèse, fer, zinc, silicium, bore, molybdène, cuivre, cobalt, etc.
La composition du milieu réactionnel 3 en ces différents éléments et leurs concentrations respectives seront déterminées, au cas par cas, notamment selon l’espèce (ou les espèces) de microorganismes photosynthétiques à produire, selon le type de photobioréacteur 1 mis en œuvre, ou bien encore selon l’emplacement de celui-ci, etc.
Le dioxyde de carbone CO2constitue également un élément essentiel à la croissance des microorganismes photoautotrophes.
Par conséquent, le présent dispositif de photobioréacteur 1 peut incorporer, de préférence au niveau de la partie basse de l’enceinte 2, au moins un moyen d’injection de gaz 4, ledit gaz injecté directement dans le milieu réactionnel 3 comprenant au moins du CO2.
Ledit gaz injecté peut consister en un mélange de gaz, comprenant par exemple de l’air contenant notamment du CO2, en sorte que ledit moyen d’injection de gaz 4 constitue également un moyen d’agitation du milieu réactionnel 3 contenu dans l’enceinte 2 du photobioréacteur.
Dans un autre exemple de réalisation, le milieu réactionnel 3 peut également être directement enrichi en CO2dissous, sous la forme de sels d’ions carbonates CO3 2-ou de sels d’ions hydrogénocarbonates HCO3 -.
Dans ce cas de figure, le dispositif de photobioréacteur 1 ne comporte pas de moyen d’injection de gaz 4 ; il convient alors d’équiper ledit dispositif, et plus particulièrement l’enceinte 2, d’au moins un moyen d’agitation du milieu réactionnel 3, par exemple, mais non limitativement, un moyen d’agitation mécanique approprié aux photobioréacteurs, de type hélice ou turbine. Ledit moyen d’agitation peut également consister en un système de mélangeurs magnétiques, ou bien encore en un dispositif d’agitation externe au moyen de pompes.
Au démarrage d’une culture de microorganismes photosynthétiques, notamment de microalgues, dans un milieu réactionnel 3 adapté, il est usuel que le taux de croissance initial de cette culture, de faible densité de microorganismes dans un tel milieu réactionnel, au sein d’un photobioréacteur, soit extrêmement important.
Cependant, rapidement après le démarrage de la phase de croissance, un tel taux de croissance qualifié, au départ, d’« exponentiel », diminue fortement pour se transformer en un taux de croissance non exponentiel, aboutissant, finalement, à une faible productivité volumétrique horaire de biomasse (exprimée par exemple en g DW.L-1.h-1; DW signifiant «dry weight » en anglais, pour « masse sèche » de biomasse).
Une telle décroissance rapide de la productivité volumétrique horaire de la biomasse d’une culture de microorganismes photosynthétiques peut s’expliquer, sous des conditions environnementales constantes au sein du photobioréacteur (notamment température, pH, concentration en CO2et conditions hydrodynamiques), par plusieurs facteurs. En particulier, l’augmentation de la densité cellulaire engendre, d’une part, le phénomène d’auto-ombrage, déjà évoqué précédemment, au sein même de la culture dans l’enceinte du photobioréacteur et, d’autre part, la formation de biofilms sur les surfaces internes des parois dudit photobioréacteur.
Ce phénomène d’auto-ombrage au sein de la culture se produit dès lors que la densité cellulaire de ladite culture devient telle que les cellules, en l’occurrence des microorganismes photosynthétiques, les plus proches des parois du photobioréacteur et donc de la source lumineuse, empêchent, ou du moins réduisent substantiellement, la pénétration des rayons lumineux au cœur de la culture, autrement dit au centre de l’enceinte du photobioréacteur.
Une disponibilité moindre en énergie lumineuse, indispensable au bon déroulement de la phase claire de la photosynthèse, est responsable de cette diminution drastique de la productivité volumétrique horaire en microorganismes photosynthétiques dans un photobioréacteur.
Ainsi, il a été imaginé, dans le dispositif de photobioréacteur 1 de l’invention, de maximiser la productivité des microorganismes photosynthétiques, des microalgues notamment, en maintenant constamment une densité cellulaire relativement faible, et optimale, au sein du milieu réactionnel 3, dans l’enceinte de culture 2 desdits microorganismes.
De manière générale, la densité cellulaire optimale au sein d’un photobioréacteur dépend, notamment, de la géométrie et de la taille de l’enceinte dudit photobioréacteur, mais également de l’intensité lumineuse à laquelle sont soumis les microorganismes à produire. Une telle densité cellulaire optimale pourra être déterminée, au cas par cas, par l’homme du métier.
Selon la présente invention, pour maintenir une densité cellulaire optimale dans le milieu réactionnel 3, ledit photobioréacteur 1 incorpore, de manière essentielle, une boucle fermée 6, partant de l’enceinte 2 du
photobioréacteur 1.
Une telle boucle fermée 6 intègre, au moins, une pompe 7 pour l’extraction, en continu, du milieu réactionnel 3 depuis ladite enceinte 2 et l’envoie, par exemple au travers d’une tuyauterie adaptée 8, vers au moins une unité d’extraction 9 de la biomasse 10, que comporte ladite boucle 6.
De manière avantageuse, ladite unité d’extraction 9 incorpore, au moins, un moyen, non représenté sur la figure, permettant une séparation de la biomasse 10 du milieu réactionnel 3 et l’obtention d’un milieu réactionnel clarifié 10a en sortie de l’unité d’extraction 9.
Ce milieu réactionnel clarifié 10a peut être renvoyé, par exemple mais non limitativement, au moyen d’une pompe de réinjection 11 et au travers d’une tuyauterie 8a adéquate, dans ladite enceinte 2 du photobioréacteur 1, de préférence en partie basse de cette enceinte 2, comme illustré sur la figure jointe.
Ainsi, la boucle fermée 6 peut intégrer deux pompes : une première pompe d’extraction 7 du milieu réactionnel 3 depuis l’enceinte 2 et une seconde pompe 11 de réinjection du milieu réactionnel 10a une fois celui-ci clarifié. Toutefois, une seule pompe d’extraction 7 peut suffire pour permettre à la fois l’extraction du milieu et sa réinjection et, dans ce cas de figure, ladite pompe d’extraction constitue un moyen de réinjection du milieu clarifié dans l’enceinte 2 du photobioréacteur.
A noter que l’on entend, dans la présente description, par milieu réactionnel clarifié 10a, un milieu totalement ou partiellement clarifié obtenu suite à une séparation entre un milieu réactionnel 3 de base provenant de l’enceinte de culture 2, et comprenant une certaine concentration C1 en biomasse, et au moins une partie de cette biomasse 10, considérant que la concentration C2 en biomasse dans le milieu réactionnel clarifié 10a est inférieure à la concentration C1 en biomasse dans le milieu réactionnel 3 de départ, cette concentration C2 pouvant d’ailleurs être égale à 0 dans un milieu réactionnel totalement clarifié.
Toutefois, on maintient préférentiellement une certaine concentration C2 en biomasse dans le milieu réactionnel clarifié 10a, autrement dit on n’extrait pas l’intégralité des microorganismes photosynthétiques au moyen de l’unité d’extraction 9, ce qui facilite le maintien d’une densité cellulaire optimale, au sein du milieu réactionnel 3, une fois ledit milieu clarifié 10a renvoyé dans l’enceinte de culture 2.
D’un autre côté, il est également envisageable que la concentration C2 du milieu réactionnel clarifié 10a renvoyé dans l’enceinte de culture 2 soit égale à 0, afin de diluer la concentration C1 du milieu réactionnel 3 si celle-ci devient trop importante et risque d’entrainer le phénomène d’auto-ombrage au sein de la culture.
Dans l’unité d’extraction 9, le moyen de séparation de la biomasse 10 du milieu réactionnel 3 provenant de l’enceinte de culture 2 peut consister en tout moyen apte à cet effet et connu de l’homme du métier, et dépendra notamment du microorganisme cultivé et du type de photobioréacteur 1 mis en œuvre.
Par exemple, on utilisera un module de filtration ou un module de centrifugation ou un module de décantation en tant que moyen de séparation biomasse 10 / milieu réactionnel 3, dans l’unité d’extraction 9 de la boucle fermée 6, pour l’obtention d’un milieu réactionnel clarifié 10a.
Il est également envisageable que ladite unité d’extraction 9 de la biomasse 10, préférentiellement de la biomasse microalgale, comporte une pluralité de tels moyens de séparation, identiques ou différents, agencés en série, par exemple plusieurs modules de filtration présentant des seuils de coupure différents.
Ainsi, par exemple, ladite unité d’extraction 9 peut comprendre un premier moyen de séparation, « en utilisation » ou « en ligne », au niveau duquel le milieu réactionnel 3 est filtré tandis que, à partir d’un deuxième moyen de séparation, la biomasse est récupérée ou que ledit deuxième moyen de séparation subit un nettoyage.
A noter que, une fois la biomasse 10 séparée du milieu réactionnel 3, celle-ci peut être préférentiellement envoyée, au travers de moyens adaptés comprenant une pompe 12 et une tuyauterie 8b, vers un réservoir de stockage 13 de la biomasse, ces moyens pouvant faire partie intégrante du photobioréacteur 1 selon l’invention.
Au sens de la présente invention, lorsqu’est évoquée la biomasse 10 qui est extraite du milieu réactionnel 3, et stockée dans le réservoir 13, il s’agit plus particulièrement d’un milieu présentant une concentration importante en biomasse, dans lequel subsiste toutefois une proportion résiduelle du milieu aqueux nutritif de base.
Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de la présente invention, le photobioréacteur 1 comporte également au moins un moyen de mesure 14 de la concentration de la biomasse et/ou de l’activité photosynthétique dans ledit milieu réactionnel.
Tout préférentiellement, ledit moyen de mesure 14 de la concentration en biomasse dans le milieu réactionnel 3 consiste en un moyen de mesure de l’absorbance ou en une sonde de mesure de la capacitance ou en un moyen de mesure du CO2dissous ou en une sonde de mesure du pH ou tout type de moyen apte à mesurer directement ou indirectement la concentration en biomasse dans un milieu liquide et connu de l’homme du métier.
Un tel moyen de mesure 14 permet de déterminer la concentration cellulaire dans le milieu réactionnel 3, par exemple directement dans l’enceinte de culture 2 des microorganismes photosynthétiques, ou dans le milieu réactionnel 3 arrivant au niveau de l’unité d’extraction 9 de la biomasse 10, ou bien encore dans le milieu réactionnel clarifié 10a, en sortie de ladite unité d’extraction 9, avant la réinjection de ce milieu réactionnel clarifié 10a dans ladite enceinte 2.
Lorsque ledit moyen de mesure 14 consiste en un moyen de mesure direct ou indirect de l’activité photosynthétique des microalgues présentes dans l’enceinte 2, celui-ci peut avantageusement être constitué d’une sonde de mesure du pH ou d’une sonde de mesure de la lumière incidente au niveau de l’enceinte ou bien encore en une sonde de mesure de la chlorophylle éventuellement par fluorescence, ou tout autre moyen.
Un tel moyen de mesure de l’activité photosynthétique permet avantageusement de détecter une diminution de cette activité photosynthétique, en sorte de déterminer le moment opportun pour déclencher l’extraction de biomasse du milieu réactionnel 3, et ajuster la densité cellulaire à une valeur optimale.
Il est également envisageable que le dispositif de photobioréacteur 1 de l’invention comprenne une pluralité de tels moyens de mesure de la concentration en biomasse et/ou de de l’activité photosynthétique, à différents endroits dudit dispositif 1, par exemple un premier moyen de mesure 14 de la concentration en biomasse dans l’enceinte de culture 2 et un deuxième moyen 14a de mesure de la concentration de la biomasse en sortie de l’unité d’extraction 9, etc.
Ledit deuxième moyen 14a de mesure de la concentration de la biomasse peut être similaire ou différent dudit premier moyen de mesure 14.
De manière avantageuse, un tel moyen de mesure 14 de la concentration en biomasse dans le milieu réactionnel 3 permet de déterminer la densité de la culture de microalgues, le but étant, dans l’invention, de maintenir constamment, au sein du milieu réactionnel 3 présent dans l’enceinte de culture 2 du photobioréacteur 1, une densité de cellules suffisamment basse pour conserver, tout le long de la production, un taux de croissance élevé, de préférence exponentiel, du fait d’une pénétration des rayons lumineux toujours optimale jusqu’au cœur même de l’enceinte de culture 2.
La densité cellulaire ne doit cependant, préférentiellement, pas descendre en deçà d’un certain seuil pour éviter les dommages cellulaires causés par une exposition des microorganismes à une quantité de lumière moyenne, par cellule, trop élevée.
A cet effet, l’application d’une agitation du milieu réactionnel 3 dans l’enceinte 2 du photobioréacteur 1, combinée au contrôle de la densité cellulaire tout au long de la production de biomasse, permet également d’optimiser le temps passé par les cellules au niveau des différentes zones de l’enceinte 2 du photobioréacteur 1, au niveau desquelles l’exposition aux rayons lumineux n’est pas la même et n’a pas les mêmes effets sur les cellules.
En effet, au niveau de la zone du cœur de l’enceinte 2 du photobioréacteur 1, l’intensité lumineuse est nécessairement inférieure à l’intensité lumineuse en périphérie de ladite enceinte, où les cellules sont susceptibles d’être soumises à une quantité de lumière importante pouvant causer des dommages à certaines structures cellulaires. Le passage dans la zone centrale de l’enceinte 2, moins lumineuse, peut alors permettre la mise en place de processus de réparation des structures cellulaires ayant subi préalablement des dommages.
Au moyen du dispositif de photobioréacteur 1 de l’invention, il est envisageable de contrôler le temps moyen passé par les cellules dans la zone moins lumineuse de l’enceinte 2 (au centre) et dans la zone où l’intensité lumineuse est importante (en périphérie), afin d’optimiser la quantité de lumière moyenne à laquelle sont soumises les cellules au cours de leur passage dans ladite enceinte 2.
Finalement, par la mise en œuvre de la présente invention, la densité cellulaire reste toujours optimale et permet de minimiser, et dans le meilleur des cas d’éviter, les phénomènes d’auto-ombrage et de photoinhibition dus à une densité cellulaire trop importante ou trop faible, respectivement.
Pour ce faire, les données récoltées par le(s) moyens de mesure 14, 14a de la concentration de la biomasse et/ou de l’activité photosynthétique suivant le démarrage de la culture des microorganismes photosynthétiques sont transmises à une unité de traitement 15 apte à analyser ces données. L’unité de traitement est alors apte à déterminer si cette concentration atteint une valeur seuil ne devant pas être dépassée sous peine de réduire la pénétration des rayons lumineux au sein de la culture, ou encore si l’activité photosynthétique est en train de diminuer.
Lorsque cette valeur seuil est atteinte, ladite unité 15 est apte également à contrôler le fonctionnement de la pompe d’extraction 7 du milieu réactionnel 3 qui est alors entraîné, en continu, selon un débit régulé par ladite unité 15 vers ladite unité d’extraction de la biomasse 9.
Le milieu clarifié 10a, exempt d’au moins une partie de la biomasse 10 qu’il contenait à l’origine dans l’enceinte de culture 2, est réinjecté dans cette enceinte 2 au moyen de la pompe de réinjection 11, dont le fonctionnement peut également être géré par l’unité de traitement et de contrôle 15.
Ainsi, en mesurant la concentration cellulaire et/ou l’activité photosynthétique et en récoltant, de préférence continuellement, ou au moins par intermittence, du milieu réactionnel 3 chargé en biomasse, puis en extrayant cette biomasse 10 pour obtenir un milieu réactionnel au moins partiellement clarifié 10a réinjecté dans l’enceinte de culture 2, on pilote efficacement la récolte de la biomasse et on maintient constamment une concentration en biomasse dans le milieu réactionnel 3 de l’enceinte 2 optimale. On évite alors avantageusement, notamment, d’une part, les phénomènes d’auto-ombrage et, d’autre part, la formation de biofilms cellulaires sur les parois de ladite enceinte 2, qui sont susceptibles d’accentuer encore la réduction du passage des rayons lumineux au sein de la culture.
Au moyen de l’invention, on garantit une productivité maximale (en grammes de matière sèche par litre par unité de temps, par exemple en heure ou en jour) et constante pendant toute la durée de la production.
Le fait de mesurer la concentration cellulaire et/ou l’activité photosynthétique, de préférence en continu, permet également d’agir pour optimiser les performances énergétiques du dispositif de photobioréacteur 1 de l’invention.
Il ressort également de ce qui précède que cette productivité maximale est obtenue de manière particulièrement avantageuse en évitant la multiplication de sources lumineuses internes et/ou externe au photobioréacteur, étant donné que la pénétration de la lumière n’est jamais empêchée par une densité cellulaire trop importante.
Aussi, tout préférentiellement, dans le dispositif de photobioréacteur 1 conforme à l’invention, la croissance et la production des microorganismes photosynthétiques peut s’effectuer uniquement au moyen des rayonnements solaires à titre de source lumineuse permettant à la phase claire de la photosynthèse de se dérouler.
Ainsi, avantageusement, ledit photobioréacteur 1 n’incorpore aucune source de lumière artificielle et, de ce fait, la consommation d’énergie due à la présence de sources lumineuses peut être totalement nulle, en comparaison avec la plupart des dispositifs existants dans l’état de la technique dans lesquels une pluralité de sources lumineuses internes et externes au dispositif sont présentes.
Toutefois, dans un exemple de réalisation différent, le dispositif de photobioréacteur 1 conforme à l’invention peut également incorporer au moins une source de lumière artificielle, non représentée sur la figure annexée, consistant de préférence en des diodes électroluminescentes (LEDs), avantageuses car faiblement énergivores.
Cette source de lumière artificielle est, de préférence, externe à l’enceinte de culture 2 du photobioréacteur 1. On évite ainsi la présence et la multiplication des sources de lumière artificielle internes à l’enceinte 2 du réacteur 1, susceptibles d’entraîner, d’une part, une élévation de la température dans le milieu réactionnel 3 et nécessitant la mise en place de moyens de refroidissement, également consommateurs d’énergie et, d’autre part, de favoriser la formation de biofilms à l’intérieur du photobioréacteur 1.
Il ressort de qui précède que les rayons lumineux 5 illustrés sur la figure annexée peuvent avantageusement provenir d’une source lumineuse naturelle ou artificielle externe au bioréacteur 1.
A noter encore que la croissance des microorganismes dans le photobioréacteur 1 de l’invention peut être permise à la fois par de la lumière solaire et par une source de lumière artificielle.
Par exemple, en journée, lorsque l’ensoleillement est suffisant, aucune source de lumière artificielle ne sera utilisée. Par contre, la nuit ou en cas d’ensoleillement insuffisant, l’enceinte de culture 2 pourra être éclairée par une telle source artificielle.
Dans un exemple de réalisation particulièrement intéressant, le dispositif de photobioréacteur 1 de l’invention incorpore également des moyens 16 pour l’extraction du milieu réactionnel usagé 17 et l’envoi de celui-ci vers une cuve de stockage 18.
De tels moyens d’extraction 16 du milieu réactionnel usagé 17 incorporent, par exemple, une tuyauterie d’évacuation 8c, reliée à la boucle fermée 6 d’une part et à la cuve de stockage 18 du milieu réactionnel usagé 17 d’autre part, et une pompe d’extraction 19.
On entend, par « milieu réactionnel usagé » 17, un milieu réactionnel ne contenant plus suffisamment d’au moins un de ses nutriments de départ, ou de plusieurs nutriments, suite à leur consommation par les microalgues, pour permettre la croissance de ces microalgues que l’on souhaite produire, ou bien une culture présentant une concentration faible en microorganismes et en nutriments. L’épuisement du milieu réactionnel peut être déterminé, en pratique, par une mesure du pH qui constitue un indicateur intéressant de la suppression du CO2.
L’actionnement de la pompe d’extraction 19 du milieu réactionnel usagé 17 pour l’envoi de celui-ci depuis la boucle fermée 6 vers la cuve de stockage 18 est avantageusement géré par l’unité de contrôle 15, lorsque le système a permis de déterminer que ledit milieu réactionnel n’était plus suffisamment riche en nutriments pour permettre la croissance des microorganismes photosynthétiques dans l’enceinte de culture 2.
Les moyens d’extraction 16 sont positionnés, comme illustré sur la figure annexée, au niveau de la tuyauterie 8a de la boucle fermée 6, sur le trajet de retour du milieu réactionnel clarifié 10a, suivant la séparation de la biomasse 10 au niveau de l’unité d’extraction 9 de la biomasse, préalablement à la réintroduction du milieu clarifié 10a dans l’enceinte de culture 2.
On procède alors, plus particulièrement, à l’extraction du milieu réactionnel usagé 17 une fois que celui-ci a été partiellement ou totalement clarifié dans l’unité d’extraction 9 de la biomasse.
A noter encore que, dans ce mode de réalisation, comprenant des moyens d’extraction 16 du milieu réactionnel usagé 17, le photobioréacteur 1 comporte également, de préférence, une unité d’approvisionnement 20 en milieu réactionnel neuf 21.
En effet, lorsqu’un certain volume de milieu a été retiré de l’enceinte de culture 2, il convient de réapprovisionner celle-ci en milieu réactionnel neuf 21 afin de conserver un volume constant dans ladite enceinte 2.
Une telle unité d’approvisionnement 20 est avantageusement constituée par une cuve de stockage 22 de milieu réactionnel neuf 21 ainsi que par des moyens pour acheminer ce milieu neuf 21 soit directement dans l’enceinte de culture 2, de préférence en partie basse de celle-ci, soit dans la boucle fermée 6.
Ainsi, l’unité d’approvisionnement 20 comporte préférentiellement une tuyauterie 8d reliée, d’une part, à la cuve de stockage 22 de milieu réactionnel 2 et, d’autre part, à l’enceinte 2 ou à la boucle fermée 6, ainsi qu’une pompe 23. L’actionnement de cette pompe 23, préférentiellement géré par l’unité de contrôle 15, permet le transfert de milieu réactionnel neuf 22 depuis la cuve de stockage directement ou indirectement vers l’enceinte de culture 2 des microalgues.
Au travers de ces moyens d’extraction 16 du milieu réactionnel usagé 17 et de cette unité d’approvisionnement 20 en milieu réactionnel neuf 21, on permet avantageusement une culture continue ou semi-continue de microorganismes photosynthétiques, de préférence des microalgues, que l’on souhaite produire dans le photobioréacteur 1 selon l’invention.
La présente invention est également relative à un procédé de culture de microorganismes photosynthétiques, notamment photoautotrophes, et de production de biomasse à partir de ces microorganismes, dans un milieu réactionnel 3 adéquat contenu dans l’enceinte de culture 2 d’un photobioréacteur 1.
Dans une première étape du procédé de culture de microorganismes photosynthétiques de l’invention, on inocule ledit milieu réactionnel 3 avec lesdits microorganismes, et on permet la croissance et la multiplication de ces derniers.
Pour ce faire, on place lesdits microorganismes, dans des conditions optimales de température, ainsi qu’en présence des nutriments adéquats, en particulier en présence de CO2, et également d’une source lumineuse, naturelle ou artificielle.
Les microorganismes photosynthétiques avec lesquels est inoculé le milieu réactionnel consistent, préférentiellement mais non limitativement, en des microalgues.
Une fois le milieu réactionnel 3 inoculé et le démarrage de la croissance effectué dans l’enceinte de culture 2, dans une deuxième étape du procédé, on mesure, de manière continue, la concentration en biomasse et/ou l’activité photosynthétique dans ledit milieu réactionnel 3.
Pour chaque espèce de microorganismes photosynthétiques, notamment de microalgues, il existe une valeur de concentration optimale en biomasse dans le milieu réactionnel 3 qui garantit une productivité maximale de microorganismes, en termes de grammes de matière sèche de microorganismes produite par litre de milieu réactionnel, et par unité de temps (heure ou jour).
Cette valeur de concentration optimale en biomasse dans le milieu réactionnel 3 permet de définir une concentration seuil que l’on cherche à ne pas dépasser pour garantir, tout au long du procédé de culture des microorganismes selon l’invention, une productivité maximale.
A noter que cette concentration optimale seuil en biomasse dans ledit milieu réactionnel 3 correspond à une relativement faible densité cellulaire dans le milieu réactionnel 3 et une productivité volumétrique horaire de biomasse importante, du fait d’un taux de croissance exponentiel des microorganismes en début de phase de croissance.
Selon l’invention, il est également intéressant de déterminer le moment où l’activité photosynthétique diminue, une telle diminution pouvant être synonyme d’une densité cellulaire trop importante au sein du photobioréacteur 1.
Dans une étape suivante du procédé de l’invention, par exemple une fois cette concentration optimale seuil en biomasse atteinte, déterminée par la mesure de la concentration en biomasse dans le milieu réactionnel 3, ou si on détecte une diminution de l’activité photosynthétique, on enclenche le prélèvement d’au moins une partie du milieu réactionnel 3 dans l’enceinte de culture 2.
Un tel prélèvement a pour but d’effectuer une séparation d’au moins une partie de la biomasse présente dans le milieu réactionnel 3, pour obtenir un milieu réactionnel clarifié 10a.
On effectue, de préférence, une étape de filtration ou de décantation ou de centrifugation pour prélever au moins une partie de cette biomasse, avant de renvoyer ledit milieu réactionnel clarifié 10a vers l’enceinte de culture 2.
On maintient ainsi constamment, de manière particulièrement avantageuse, une concentration en biomasse (ou concentration cellulaire) considérée comme faible dans le milieu réactionnel 3 à l’intérieur de ladite enceinte 2, et donc une productivité maximale tout au long du procédé de culture.
La mesure de la concentration en biomasse dans ledit milieu réactionnel 3 est effectuée, de préférence, de manière continue dès l’inoculation des microorganismes dans ce milieu 3 et dans l’enceinte de culture 2, de préférence directement dans cette enceinte 2 et par tous moyens adaptés, comme ceux mentionnés précédemment dans la description.
Une telle mesure de concentration de la biomasse au sein du milieu réactionnel 3 peut également être réalisée de manière régulière, par un prélèvement de ce milieu 3 au sein de l’enceinte 2 suivi d’une mesure de la concentration cellulaire dans un dispositif externe à ladite enceinte 2.
Une fois la concentration optimale seuil atteinte, le prélèvement de milieu réactionnel 3 et la séparation d’au moins une partie de la biomasse de ce milieu sont enclenchés, et sont effectués également, de préférence, en continu à partir de ce moment-là.
Toutefois, un tel prélèvement et une telle séparation biomasse / milieu réactionnel 3 peuvent également être réalisés de manière discontinue, à intervalles de temps réguliers, selon les résultats de l’étape de mesure.
De manière additionnelle et avantageuse, le procédé de culture de microorganismes photosynthétiques de l’invention peut être utilisé pour fractionner la biomasse dans le but de séparer une fraction de cette biomasse comportant un produit d’intérêt à récupérer.
Par exemple, si des cellules présentant une taille importante comportent le produit d’intérêt, celles-ci peuvent préférentiellement être récoltées en continu tandis que des cellules plus petites seront réintroduites dans l’enceinte du photobioréacteur 1, leur permettant ainsi de poursuivre leur développement afin qu’elles puissent produire et accumuler le produit d’intérêt.
On peut également chercher, par ce biais, à réintroduire dans l’enceinte 2 du photobioréacteur 1 les cellules les plus actives, en sorte de maximiser la productivité.
Il a été indiqué précédemment que, dans le procédé de l’invention, il peut être intéressant de déterminer le moment où l’activité photosynthétique diminue.
A noter que, dans le cas où la source lumineuse est constituée uniquement de lumière naturelle, une telle diminution de l’activité photosynthétique pourrait être due à un changement de conditions météorologiques, par exemple à la présence de nuages empêchant ou réduisant le passage des rayons solaires dans l’enceinte de culture 2 d’un photobioréacteur 1.
Dans ce cas de figure, une régulation de l’activité photosynthétique pourrait être obtenue par l’actionnement d’une source lumineuse artificielle.
Également, la concentration cellulaire au sein du milieu réactionnel 3 peut être ajustée selon la lumière incidente arrivant sur l’enceinte 2 du photobioréacteur 1, lorsque celle-ci est uniquement éclairée avec les rayons solaires.
A noter que, de manière générale, les éléments et caractéristiques additionnelles ou optionnels qui ont été décrits pour le dispositif de photobioréacteur 1 de l’invention peuvent être appliqués au procédé de production de microorganismes photosynthétiques de l’invention, et inversement.

Claims (12)

  1. Dispositif de photobioréacteur (1) pour la culture d’au moins une espèce de microorganismes photosynthétiques, et la production de biomasse à partir de ces microorganismes, comprenant, au moins, une enceinte de culture (2) à parois au moins en partie transparentes ou translucides et contenant un milieu réactionnel (3) de croissance desdits microorganismes, ladite enceinte (2) étant munie d’au moins un moyen d’agitation dudit milieu réactionnel (3), ledit dispositif de photobioréacteur (1) étant caractérisé en ce qu’il comporte également une boucle fermée (6), partant de ladite enceinte (2) dudit dispositif de photobioréacteur (1), et intégrant une pompe d’extraction (7) du milieu réactionnel (3) vers une unité d’extraction (9) de la biomasse (10) que comporte ladite boucle (6), laquelle unité (9) d’extraction incorpore, au moins, un moyen de séparation d’au moins une partie de la biomasse (10) du milieu réactionnel (3) pour l’obtention d’un milieu réactionnel clarifié (10a) qui est renvoyé, par un moyen de réinjection (7, 11) dans ladite enceinte de culture (2), et en ce que ledit dispositif de photobioréacteur (1) comporte encore, d’une part, au moins un moyen de mesure (14, 14a) de la concentration de la biomasse et/ou de l’activité photosynthétique dans ledit milieu réactionnel (3, 10), et, d’autre part, une unité (15) de traitement des mesures récoltées par ledit moyen de mesure (14, 14a) et de contrôle apte à actionner au moins ladite pompe d’extraction (7) en fonction desdites mesures.
  2. Dispositif de photobioréacteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte au moins une source lumineuse artificielle.
  3. Dispositif de photobioréacteur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit moyen d’agitation du milieu réactionnel (3) consiste en au moins un moyen d’injection (4) de gaz au sein du milieu réactionnel, ledit gaz injecté comprenant au moins du dioxyde de carbone (CO2).
  4. Dispositif de photobioréacteur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit moyen de mesure (14, 14a) consiste en un moyen de mesure de l’absorbance ou en une sonde de mesure de la capacitance ou en un moyen de mesure du CO2dissous ou en une sonde de mesure du pH.
  5. Dispositif de photobioréacteur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit moyen de séparation de la biomasse (10) du milieu réactionnel (3) consiste en un module de filtration ou en un module de centrifugation ou en un module de décantation.
  6. Dispositif de photobioréacteur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit moyen de mesure (14a) de la concentration de la biomasse et/ou de l’activité photosynthétique dans ledit milieu réactionnel (3) est positionné au niveau de l’unité d’extraction (9) de la biomasse pour mesurer la concentration de la biomasse du milieu réactionnel (3) entrant dans cette unité d’extraction (9).
  7. Dispositif de photobioréacteur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que ledit moyen de mesure (14) de la concentration de la biomasse et/ou de l’activité photosynthétique dans ledit milieu réactionnel (3) est positionné dans l’enceinte de culture (2) du photobioréacteur (1).
  8. Dispositif de photobioréacteur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu’il comporte encore des moyens d’extraction (16) du milieu réactionnel usagé (17) et une unité d’approvisionnement (20) en milieu réactionnel neuf (22).
  9. Dispositif de photobioréacteur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu’il consiste en un photobioréacteur tubulaire.
  10. Dispositif de photobioréacteur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu’il consiste en un photobioréacteur à colonnes verticales.
  11. Dispositif de photobioréacteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu’il consiste en un photobioréacteur à plaques.
  12. Procédé de culture d’au moins une espèce de microorganismes photosynthétiques et de production de biomasse à partir de ces microorganismes, dans un milieu réactionnel (3) adéquat contenu dans une enceinte de culture (2) d’un photobioréacteur (1), ledit procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend, au moins, les étapes suivantes :
    • on inocule ledit milieu réactionnel (3) avec lesdits microorganismes, et on permet la croissance et la multiplication desdits microorganismes ;
    • on mesure, en continu, la concentration en biomasse dans ledit milieu réactionnel (3) ;
    • on définit une concentration optimale seuil en biomasse dans ledit milieu réactionnel (3), selon le type de microorganismes que l’on souhaite cultiver, correspondant à une faible densité cellulaire dans le milieu réactionnel (3) et une productivité volumétrique horaire de biomasse importante ;
    • une fois cette concentration optimale seuil en biomasse atteinte dans ledit milieu réactionnel (3), on prélève en continu du milieu réactionnel (3) dans l’enceinte de culture (2) et on sépare au moins une partie de la biomasse dudit milieu réactionnel (3) et on obtient un milieu réactionnel clarifié (10a) ;
    • on renvoie ledit milieu réactionnel clarifié (10a) vers l’enceinte de culture (2).
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Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007055569A1 (de) 2007-11-20 2009-05-28 Arwed Dr. Wagner Anordnung und Verfahren zur gleichmäßigen dreidimensionalen Lichtverteilung in einem Reaktionsmedium
FR2944291A1 (fr) 2009-04-10 2010-10-15 Acta Alga Photobioreacteur en milieu ferme pour la culture de micro-organismes photosynthetiques
US20110124092A1 (en) * 2009-11-25 2011-05-26 Cleanergy Corp. Raceways for producing microalgae species
US20120288928A1 (en) * 2011-05-12 2012-11-15 Myongji University Industry And Academia Cooperation Photobioreactor for culturing microalgae using hollow fiber membrane
EP2719753A1 (fr) 2012-10-11 2014-04-16 Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Réacteur avec particules à électroluminescence dans un milieu de réaction
CN104560695A (zh) 2015-01-21 2015-04-29 北京化工大学 基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器
CN204417511U (zh) 2015-01-21 2015-06-24 北京化工大学 基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器
WO2016187996A1 (fr) * 2015-05-28 2016-12-01 连衡会投资有限公司 Système de photobioréacteur de type à écoulement circulaire
CN106318853A (zh) 2015-06-23 2017-01-11 中国科学院上海高等研究院 自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器
FR3065966A1 (fr) * 2017-05-04 2018-11-09 Sas Alg&You ( Alg And You) Systeme de culture et de recolte de microalgues

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007055569A1 (de) 2007-11-20 2009-05-28 Arwed Dr. Wagner Anordnung und Verfahren zur gleichmäßigen dreidimensionalen Lichtverteilung in einem Reaktionsmedium
FR2944291A1 (fr) 2009-04-10 2010-10-15 Acta Alga Photobioreacteur en milieu ferme pour la culture de micro-organismes photosynthetiques
US20110124092A1 (en) * 2009-11-25 2011-05-26 Cleanergy Corp. Raceways for producing microalgae species
US20120288928A1 (en) * 2011-05-12 2012-11-15 Myongji University Industry And Academia Cooperation Photobioreactor for culturing microalgae using hollow fiber membrane
EP2719753A1 (fr) 2012-10-11 2014-04-16 Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Réacteur avec particules à électroluminescence dans un milieu de réaction
CN104560695A (zh) 2015-01-21 2015-04-29 北京化工大学 基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器
CN204417511U (zh) 2015-01-21 2015-06-24 北京化工大学 基于流体驱动内置转子的管式光生物反应器
WO2016187996A1 (fr) * 2015-05-28 2016-12-01 连衡会投资有限公司 Système de photobioréacteur de type à écoulement circulaire
CN106318853A (zh) 2015-06-23 2017-01-11 中国科学院上海高等研究院 自清洁螺旋气升式内环流光生物反应器
FR3065966A1 (fr) * 2017-05-04 2018-11-09 Sas Alg&You ( Alg And You) Systeme de culture et de recolte de microalgues

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