FR3130841A1 - Methode d’injection du co2 et elimination de l’o2 dans un reacteur a plaques - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de culture de microorganismes dans un réacteur biologique dont le milieu de culture comprend du dioxyde de carbone (CO2) comme source de carbone. L’alimentation en CO2 dans le réacteur biologique est régulée grâce à un contacteur membranaire.

Description

METHODE D’INJECTION DU CO2ET ELIMINATION DE L’O2DANS UN REACTEUR A PLAQUES
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un procédé de culture de microorganismes dans un réacteur biologique dont le milieu de culture comprend du dioxyde de carbone (CO2) comme source de carbone. L’alimentation en CO2dans le réacteur biologique est régulée grâce à un contacteur membranaire.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
Les procédés de culture des microorganismes sont bien connus de l’homme du métier. La culture peut se faire à l’échelle du laboratoire dans des boites de Petri ou à une échelle industrielle dans des réacteurs biologiques. La culture des microorganismes nécessite de reproduire les conditions du milieu d’origine pour une croissance optimale. Ainsi, la présence de substrats organiques est essentielle. D’autres paramètres doivent aussi être reproduits, comme la luminosité, la température, la pression, le taux d’humidité, le pH, ou encore les concentrations en gaz.
De nombreux microorganismes utilisent le dioxyde de carbone comme source de carbone. En particulier, les cultures autotrophes ne comprennent pas d’autre source de carbone que le CO2contenu dans l’air. Le CO2est transformé en dioxygène (O2) et éliminé dans l’atmosphère. Cependant, il a été mis en évidence qu’une concentration trop importante en CO2conduit à l’acidification du milieu de culture et une diminution du pH. En parallèle, une quantité trop importante de O2dans le milieu de culture conduit à une diminution de la croissance des microorganismes, et favorise le développement des bactéries. La régulation de la concentration en CO2et en O2dans les milieux de culture des microorganismes est donc essentielle au bon développement de ces derniers.
Afin de réguler les flux en CO2et O2, de nombreux dispositifs existent tels que les bulleurs à membrane ou colonnes à bulles, les bulleurs en céramique, ou encore les pierres de diffuseurs de bulles, etc. Malgré que ces méthodes présentent un bon taux de transfert, des pertes de matière sont observées. D’autres part, ces dispositifs conduisent souvent à des phénomènes de coalescence sur les parois du bioréacteur, les pales et les bulleurs, conduisant notamment à l’obstruction de ces derniers et à la perturbation des souches. Enfin, l’apport de lumière est lui aussi altéré. Il existe donc un besoin de développer un procédé de culture pour les microorganismes dans lequel les flux de CO2et de O2sont régulés de manière optimale et dans lequel les problèmes liés à l’utilisation des dispositifs existant sont minimes, voire nuls.
Au regard des enjeux environnementaux liés à la production de CO2relâché dans l’atmosphère, notamment liés à la production de gaz riches en CO2, tels les effluents gazeux industriels, il a été envisagé d’utiliser ces gaz pour alimenter des réacteurs biologiques pour la croissance de microorganismes capables de croitre avec le CO2comme seule source de carbone. Cette dépollution des gaz, appelée également décarbonation, est notamment décrits dans les demandes de brevets WO2018/060197, WO 2019/101899 ou WO2021165621. Si ces procédés ont montré une bonne efficacité pour consommer le CO2apporté par les gaz à décarboner, il reste à les améliorer de manière à éviter qu’une partie du CO2non consommé soit relarguée dans l’atmosphère.
Les inventeurs ont ainsi développé un procédé de culture des microorganismes comprenant du CO2comme source de carbone et comprenant une étape de culture dudit microorganisme dans un réacteur biologique permettant d’améliorer l’alimentation en CO2, en particulier pour la décarbonation des gaz industriels.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
La présente invention concerne un procédé de culture des microorganismes comprenant du CO2comme source de carbone et comprenant une étape de culture dudit microorganisme dans un réacteur biologique comprenant des moyens d’alimentation en CO2et caractérisé en ce que les moyens d’alimentation en CO2comprennent un contacteur membranaire pour la régulation des flux de CO2et O2dans le milieu de culture, le flux de CO2étant dirigé vers le milieu de culture, et le flux de O2étant dirigé vers l’extérieur du milieu de culture.
Dans le cadre de la présente invention, les microorganismes sont essentiellement des bactéries, des levures et des protistes.
Le procédé de culture comprend avantageusement les étapes :
  1. La culture des microorganismes,
  2. La récupération de la biomasse produite par lesdits microorganismes.
L’invention concerne également l’utilisation d’un contacteur membranaire pour la régulation des flux de CO2et de O2dans un procédé de culture de microorganismes dans lequel le CO2est une source de carbone dans le milieu de culture.
Le procédé de culture selon l’invention est particulièrement adapté pour la décarbonation d’un gaz riche en CO2.
L’invention concerne aussi un procédé de décarbonation d’un gaz riche en CO2qui comprend l’injection dudit gaz dans un réacteur biologique, ledit réacteur biologique comprenant un milieu de culture et des microorganismes capables de croitre dans ledit milieu de culture avec le CO2comme seule source de carbone et des moyens d’alimentation en CO2, caractérisé en ce que les moyens d’alimentation en CO2comprennent un contacteur membranaire pour la régulation des flux de CO2et O2dans le milieu de culture, le flux de CO2étant dirigé vers le milieu de culture, et le flux de O2étant dirigé vers l’extérieur du milieu de culture.
Enfin, l’invention concerne un dispositif de fermentation de microalgues comprenant un réacteur de fermentation, des moyens d’alimentation en CO2, et le cas échéant des moyens d’éclairage, caractérisé en ce que les moyens d’alimentation en CO2comprennent un contacteur membranaire pour la régulation des flux de CO2et de O2dans lequel le flux de CO2est dirigé vers le milieu de culture et le flux de O2est dirigé vers l’extérieur du milieu de culture.
: Mode de culture des microorganismes en présence d’un contacteur membranaire.
: Contacteur membranaire selon l’invention et vue en coupe d’une membrane du contacteur membranaire.
et : Représentations des phénomènes se produisant au niveau de la membrane du contacteur membranaire selon l’invention, notamment des phénomènes de diffusion ( ) et des flux de dioxyde de carbone (CO2), du dioxygène (O2) et du milieu de culture ( ).
: Vitesse du milieu dans le contacteur membranaire en fonction de la productivité de la biomasse déterminée à 0,2 kg/m3/J.
: Vitesse du milieu dans le contacteur membranaire en fonction de la productivité de la biomasse déterminée à 0,79 kg/m3/J.
: Variation de la pression de CO2dans la membrane du contacteur membranaire en fonction de la quantité de CO2dans le milieu de culture.
: Quantité de CO2à injecter dans le milieu de culture en fonction de la température du milieu et de la pression dans la membrane du contacteur membranaire.

Claims (16)

  1. Procédé de culture d’un microorganisme dans un milieu de culture comprenant du CO2comme source de carbone et comprenant une étape de culture du microorganisme dans un réacteur biologique comprenant des moyens d’alimentation en CO2, caractérisé en ce que les moyens d’alimentation en CO2comprennent un contacteur membranaire pour la régulation des flux de CO2et de O2dans le milieu de culture et dans lequel le flux de CO2est dirigé vers le milieu de culture et le flux de O2est dirigé vers l’extérieur du milieu de culture.
  2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le contacteur membranaire est une membrane à fibres creuses.
  3. Procédé selon la revendication 2, caractérisée en ce que le diamètre externe des membranes à fibres creuses est compris entre 100 et 800 μm.
  4. Procédé selon l’une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le diamètre des pores de la membrane est compris entre 0,01 et 0,05 μm.
  5. Procédé selon l’une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que la membrane à fibres creuses est une membrane microporeuse ou une membrane non poreuse.
  6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la concentration de CO2dans le milieu de culture est d’au moins 1000 mg/L.
  7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la quantité de O2dans le réacteur est inférieure à 35 g/m3.
  8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la concentration en CO2dans le milieu de culture est régulée de manière à apporter la quantité nécessaire et suffisante à la culture des microorganismes, l’ensemble du CO2étant consommé sans déperdition dans l’atmosphère.
  9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les seuls échanges gazeux entre le réacteur et l’environnement extérieur se font par le contacteur membranaire.
  10. Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les microorganismes sont des bactéries, des levures ou encore de protistes, en particulier des microalgues.
  11. Procédé selon l’une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les microorganismes sont des microalgues cultivées en mode autotrophe.
  12. Utilisation d’un contacteur membranaire défini selon l’une des revendications 1 à 9 pour la régulation des flux de CO2et de O2dans un procédé de culture de microorganismes dans lequel le CO2est une source de carbone dans le milieu de culture.
  13. Utilisation selon la revendication 12, caractérisé en ce que le contacteur membranaire est placé dans le réacteur biologique.
  14. Dispositif de fermentation de microalgues comprenant un réacteur de fermentation, des moyens d’alimentation en CO2, et le cas échéant des moyens d’éclairage, caractérisé en ce que les moyens d’alimentation en CO2comprennent un contacteur membranaire pour la régulation des flux de CO2et de O2par lequel le flux de CO2est dirigé vers le milieu de culture et le flux de O2est dirigé vers l’extérieur du milieu de culture.
  15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que le contacteur membranaire est défini selon l’une des revendications 2 à 9.
  16. Dispositif selon l’une des revendications 14 ou 15, caractérisé en ce que le contacteur membranaire est placé dans le réacteur de fermentation.
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