FR3145166A1 - LIGHT DIODE REACTOR - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un réacteur incluant une cuve (1) et un dispositif d’éclairage (2a-2g) disposé dans la cuve (1), ledit dispositif d’éclairage étant flexible selon au moins une direction.The present invention relates to a reactor including a tank (1) and a lighting device (2a-2g) arranged in the tank (1), said lighting device being flexible in at least one direction.
Description
La présente invention concerne le domaine technique général des réacteurs à éclairage intégré, notamment pour la culture de micro-organismes photosynthétiques.The present invention relates to the general technical field of reactors with integrated lighting, in particular for the culture of photosynthetic microorganisms.
La notion de bioréacteur désigne ici un réacteur au sein duquel se développent des phénomènes biologiques, tels qu'une croissance de cultures d’un seul type ou d'un consortium de micro-organismes (notamment des microalgues), dans des domaines très variés tels que le traitement d'effluents, la production de biomasse contenant des biomolécules d'intérêt (c'est-à-dire des biomolécules que l'on sait valoriser) et/ou de produits métabolites.The concept of bioreactor here refers to a reactor within which biological phenomena develop, such as the growth of cultures of a single type or of a consortium of micro-organisms (notably microalgae), in very varied fields such as the treatment of effluents, the production of biomass containing biomolecules of interest (i.e. biomolecules that we know how to valorize) and/or metabolite products.
Un bioréacteur comporte typiquement une cuve (cylindrique ou parallélépipédique) contenant un milieu de culture d’espèces biologiques (levures, bactéries, champignons microscopiques, algues, cellules animales et végétales) pour :
- la production de biomasse, ou pour
- la production d'un métabolite, ou pour
- la bioconversion d'une molécule d'intérêt.
- biomass production, or for
- the production of a metabolite, or for
- the bioconversion of a molecule of interest.
Divers types de conditions opératoires peuvent être nécessaires pour la croissance des espèces biologiques au sein d'un tel bioréacteur ; on connaît ainsi, notamment, des régimes de croissance autotrophe (ou photoautotrophe) avec un apport de lumière (on parle aussi de photosynthèse). Il faut noter également que la lumière peut agir sur le métabolisme des cellules en induisant ou réprimant la production de certains composés, indépendamment de la croissance et de la photosynthèse. Un apport de lumière lors de la culture peut donc être utile même lorsque les micro-organismes sont hétérotrophes.Various types of operating conditions may be necessary for the growth of biological species within such a bioreactor; we thus know, in particular, autotrophic (or photoautotrophic) growth regimes with a supply of light (also called photosynthesis). It should also be noted that light can act on the metabolism of cells by inducing or repressing the production of certain compounds, independently of growth and photosynthesis. A supply of light during culture can therefore be useful even when the microorganisms are heterotrophic.
Dans la suite, on s’intéressera plus spécifiquement aux photo-bioréacteurs, c’est-à-dire aux bioréacteurs dans lesquels un apport de lumière (en continu, de manière cyclique, ou sous forme d’impulsions) est mis en œuvre.In the following, we will focus more specifically on photo-bioreactors, i.e. bioreactors in which a supply of light (continuously, cyclically, or in the form of pulses) is implemented.
On a déjà proposé des photo-bioréacteurs dans lesquels l’apport en lumière est réalisé par l’intérieur de la cuve. Le document US 3 986 297 propose notamment un photo-bioréacteur dans lequel l’apport de lumière est réalisé par immersion, dans le milieu de culture, de moyens d’illumination (tel que des lampes au xénon). Un inconvénient de cette solution est que l’efficacité du photo-bioréacteur est inversement proportionnelle aux dimensions de celui-ci. Ainsi, plus les dimensions du photo-bioréacteur augmente, plus son efficacité diminue.Photo-bioreactors have already been proposed in which the light supply is provided from inside the tank. Document US 3,986,297 proposes in particular a photo-bioreactor in which the light supply is provided by immersion, in the culture medium, of illumination means (such as xenon lamps). A disadvantage of this solution is that the efficiency of the photo-bioreactor is inversely proportional to its dimensions. Thus, the more the dimensions of the photo-bioreactor increase, the more its efficiency decreases.
On a également proposé des photo-bioréacteurs dans lesquels l’apport en lumière est réalisé par l’extérieur de la cuve. Notamment, une configuration bien maîtrisée consiste à munir la cuve de hublots permettant la pénétration d'une lumière générée depuis l'extérieur de la cuve (lumière naturelle ou artificielle). Un inconvénient d'une telle configuration est que les hublots limitent la surface d'illumination et absorbent ou réfléchissent une partie significative des photons émis par la source d'éclairage.Photo-bioreactors have also been proposed in which the light supply is provided from outside the tank. In particular, a well-controlled configuration consists of equipping the tank with portholes allowing the penetration of light generated from outside the tank (natural or artificial light). A disadvantage of such a configuration is that the portholes limit the illumination surface and absorb or reflect a significant portion of the photons emitted by the lighting source.
Que l’apport de lumière soit réalisé par l’intérieur ou par l’extérieur de la cuve, la productivité d’un photo-bioréacteur est directement liée à la surface spécifique de celui-ci (rapport surface éclairée sur volume de culture). Il est donc nécessaire que le photo-bioréacteur ait une grande surface spécifique éclairée.Whether the light supply is made from the inside or the outside of the tank, the productivity of a photo-bioreactor is directly linked to its specific surface area (ratio of illuminated surface area to culture volume). It is therefore necessary for the photo-bioreactor to have a large illuminated specific surface area.
Qu’ils soient plats ou cylindriques, un inconvénient des photo-bioréacteurs actuels est qu’ils doivent occuper une grande surface au sol pour que leur productivité soit acceptable.Whether flat or cylindrical, a disadvantage of current photo-bioreactors is that they must occupy a large surface area for their productivity to be acceptable.
Par ailleurs, quelle que soit la source de lumière choisie pour illuminer le milieu de culture (Néons, LEDs, Lumière Naturelle), son apport en énergie photonique est réalisé de manière très localisée, de sorte que :
- la majeure partie des photons émis par la source de lumière ne peuvent pas être consommée biologiquement par le micro-organisme du fait d’une surcharge en énergie,
- la dissipation de la chaleur générée par la source de lumière est mal maîtrisée,
- il est complexe et coûteux de réaliser des photo-bioréacteurs de grandes dimensions.
- most of the photons emitted by the light source cannot be biologically consumed by the microorganism due to an energy overload,
- the dissipation of heat generated by the light source is poorly controlled,
- It is complex and expensive to produce large photo-bioreactors.
Un but de la présente invention est de proposer un photo-bioréacteur économique, aussi bien au niveau des investissements que des frais d'exploitation, et dont l'emprise foncière est réduite.An aim of the present invention is to propose an economical photo-bioreactor, both in terms of investments and operating costs, and whose land footprint is reduced.
Un autre but de l’invention est de fournir un photo-bioréacteur de grande capacité (cuve de 1000 litres ou plus) dans lequel le rendement en quantité de photons (µmol-ph-s-1) apportés par une surface lumineuse par unité de puissance (Watt) est optimisé.Another aim of the invention is to provide a large capacity photo-bioreactor (tank of 1000 liters or more) in which the yield in quantity of photons (µmol-ph-s-1) supplied by a luminous surface per unit of power (Watt) is optimized.
A cet effet, l’invention propose un réacteur incluant :
- une cuve destinée à contenir une masse à traiter, la cuve comprenant une paroi inférieure formant fond, une paroi supérieure opposée à la paroi inférieure, et au moins une paroi latérale entre les parois inférieure et supérieure,
- un ensemble de dispositifs d’éclairage flexibles contenu dans la cuve et destiné à favoriser le traitement de la masse,
- au moins un module d’alimentation en énergie électrique connecté à chaque dispositif d’éclairage,
- un cadre périphérique composé :
- de deux bordures longitudinales flexibles, et
- de deux bordures transversales,
- une nappe centrale flexible sur les bords de laquelle est monté le cadre périphérique, la nappe centrale flexible incluant :
- au moins une plaque flexible,
- une couche de revêtement flexible transparente au rayonnement lumineux, ladite couche de revêtement s’étendant sur la plaque flexible,
- un groupe de diodes lumineuses s’étendant entre la plaque flexible et la couche de revêtement flexible, lesdites diodes lumineuses étant orientées de sorte à générer le rayonnement lumineux dans une direction opposée à la plaque flexible.
- a tank intended to contain a mass to be treated, the tank comprising a lower wall forming a bottom, an upper wall opposite the lower wall, and at least one side wall between the lower and upper walls,
- a set of flexible lighting devices contained in the tank and intended to promote the treatment of the mass,
- at least one electrical power supply module connected to each lighting device,
- a peripheral frame composed of:
- of two flexible longitudinal edges, and
- of two transverse borders,
- a flexible central sheet on the edges of which the peripheral frame is mounted, the flexible central sheet including:
- at least one flexible plate,
- a flexible coating layer transparent to light radiation, said coating layer extending over the flexible plate,
- a group of light emitting diodes extending between the flexible plate and the flexible coating layer, said light emitting diodes being oriented so as to generate the light radiation in a direction opposite to the flexible plate.
Cette solution permet d’obtenir un photo-bioréacteur plus ergonomique dans lequel l’extraction des dispositifs d’éclairage est facilitée. En effet, la flexibilité de chaque dispositif d’éclairage permet de l’extraire en le déplaçant selon une direction horizontale au-dessus de la cuve, par exemple en le faisant circuler sur des rouleaux d’un convoyeur à rouleau positionné au-dessus de la cuve. Il est ainsi possible de réduire la hauteur nécessaire pour extraire ledit (ou lesdits) dispositif(s) d’éclairage de la cuve par exemple dans le cadre d’une opération de maintenance.This solution provides a more ergonomic photo-bioreactor in which the extraction of lighting devices is facilitated. Indeed, the flexibility of each lighting device allows it to be extracted by moving it in a horizontal direction above the tank, for example by making it circulate on rollers of a roller conveyor positioned above the tank. It is thus possible to reduce the height required to extract said lighting device(s) from the tank, for example as part of a maintenance operation.
Cette solution permet également d’obtenir un photo-bioréacteur ayant de meilleurs rendements (énergétique d’une part, et en production de biomasse d’autre part) que les photo-bioréacteurs existants.This solution also makes it possible to obtain a photo-bioreactor with better yields (energy on the one hand, and in biomass production on the other hand) than existing photo-bioreactors.
En effet, la flexibilité de chaque dispositif d’éclairage permet de le conformer à la géométrie du photo-bioréacteur, et ainsi de maximiser le rapport surface illuminée/volume éclairé directement en contact avec le milieu de culture.Indeed, the flexibility of each lighting device allows it to be conformed to the geometry of the photo-bioreactor, and thus to maximize the ratio of illuminated surface area/volume illuminated directly in contact with the culture medium.
Par ailleurs, la flexibilité de la (ou des) plaque(s) permet d’améliorer la cinétique de déplacement du milieu dans certaines zones du photo-bioréacteur, notamment en limitant la formation de flux secondaires circulaires autour d’un flux principal d’écoulement du milieu, comme il sera décrit plus en détails dans la suite en référence aux figures.Furthermore, the flexibility of the plate(s) makes it possible to improve the kinetics of movement of the medium in certain areas of the photo-bioreactor, in particular by limiting the formation of circular secondary flows around a main flow of the medium, as will be described in more detail below with reference to the figures.
Des aspects préférés mais non limitatifs de l’ensemble selon l’invention sont les suivants :
- chaque diode lumineuse peut être une diode électroluminescente organique flexible (OLED), chaque diode lumineuse étant en contact avec une diode lumineuse adjacente ;
- chaque diode lumineuse peut être choisie parmi une diode électro-luminescente conventionnelle (LED), ou une mini diode électro-luminescente (mini LED), les diodes lumineuses étant espacées les unes des autres d’une distance supérieure ou égale à 50µm ;
- chaque bordure transversale peut être flexible de sorte que le cadre périphérique est flexible selon deux directions orthogonales ;
- chaque bordure transversale peut être rigide de sorte que le cadre périphérique est flexible selon une unique direction parallèle aux bordures longitudinales ;
- chaque bordure transversale peut inclure une armature rigide et un brin rigide de longueur inférieure à l’armature rigide, l’armature rigide et le brin étant reliés par une liaison pivot de sorte que le brin est apte à pivoter relativement à l’armature ;
- chaque bordure flexible peut comprendre une succession de segments rigides raccordés entre eux par des liaisons pivot de sorte que chaque segment est apte à pivoter relativement à un segment adjacent ;
- chaque bordure flexible peut consister en un boudin réalisé dans un matériau identique à un matériau constituant la plaque flexible ;
- ledit et au moins un dispositif d’éclairage peut être de forme parallélépipédique, le réacteur incluant une structure support rigide comportant des logements, chaque logement étant destiné à recevoir un dispositif d’éclairage flexible respectif et étant configuré de sorte à recourber le dispositif d’éclairage dans la cuve ;
- chaque diode lumineuse peut comprendre un empilement de structures, chaque structure étant adaptée pour émettre un rayonnement lumineux dans une gamme de longueurs d’onde respective ;
- le réacteur peut également comprendre au moins un contrôleur (6) configuré pour piloter ledit et au moins un module d’alimentation (5) en énergie électrique ;
- ledit et au moins un contrôleur peut être configuré pour contrôler une variation d’énergie fournie par ledit et au moins un module d’alimentation afin de modifier au cours du temps le spectre d’émission dudit et au moins un dispositif d’éclairage ;
- ledit et au moins un contrôleur peut être configuré pour :
- contrôler l’activation continue dudit et au moins un module d’alimentation en énergie électrique de sorte que ledit et au moins un dispositif d’éclairage (2a, 2b) génère un rayonnement lumineux continu,
- contrôler l’activation discontinue dudit et au moins un module d’alimentation en énergie électrique de sorte que ledit et au moins un dispositif d’éclairage (2a, 2b) génère un rayonnement lumineux discontinu sous forme de flashs composé d’une alternance de phases obscures et de phases éclairées, par exemple à une fréquence comprise entre 10 et 50 kHz ;
- le matériau constituant ladite couche de revêtement peut être du verre souple ;
- le matériau constituant la couche de revêtement peut être une résine synthétique ou semi-synthétique choisie parmi les résines (méth)acryliques réticulées, les résines de styrène réticulées, les résines de polyuréthane, les résines de polyester, les résines de silicone, les résines fluorées, les résines préparées à partir de substances inorganiques telles que la silice, le carbonate de calcium et le sulfate de baryum ;
- au moins deux diodes lumineuses de la pluralité de diodes lumineuses peuvent être de tailles différentes ;
- la pluralité de diodes lumineuses peut comprendre :
- au moins une diode lumineuse à émission ultraviolet, et/ou
- au moins une diode lumineuse phosphorescente.
- each light emitting diode may be a flexible organic light emitting diode (OLED), each light emitting diode being in contact with an adjacent light emitting diode;
- each light emitting diode may be selected from a conventional light emitting diode (LED), or a mini light emitting diode (mini LED), the light emitting diodes being spaced apart from each other by a distance greater than or equal to 50µm;
- each transverse border can be flexible so that the peripheral frame is flexible in two orthogonal directions;
- each transverse edge may be rigid so that the peripheral frame is flexible in a single direction parallel to the longitudinal edges;
- each transverse edge may include a rigid frame and a rigid strand of lesser length than the rigid frame, the rigid frame and the strand being connected by a pivot connection such that the strand is capable of pivoting relative to the frame;
- each flexible border may comprise a succession of rigid segments connected together by pivot links so that each segment is able to pivot relative to an adjacent segment;
- each flexible border may consist of a bead made of a material identical to a material constituting the flexible plate;
- said and at least one lighting device may be of parallelepiped shape, the reactor including a rigid support structure comprising housings, each housing being intended to receive a respective flexible lighting device and being configured so as to curve the lighting device in the tank;
- each light emitting diode may comprise a stack of structures, each structure being adapted to emit light radiation in a respective wavelength range;
- the reactor may also comprise at least one controller (6) configured to control said and at least one electrical energy supply module (5);
- said and at least one controller can be configured to control a variation of energy supplied by said and at least one power supply module in order to modify over time the emission spectrum of said and at least one lighting device;
- said and at least one controller may be configured to:
- controlling the continuous activation of said and at least one electrical energy supply module so that said and at least one lighting device (2a, 2b) generates continuous light radiation,
- controlling the discontinuous activation of said and at least one electrical energy supply module so that said and at least one lighting device (2a, 2b) generates discontinuous light radiation in the form of flashes composed of an alternation of dark phases and illuminated phases, for example at a frequency of between 10 and 50 kHz;
- the material constituting said coating layer may be flexible glass;
- the material constituting the coating layer may be a synthetic or semi-synthetic resin selected from crosslinked (meth)acrylic resins, crosslinked styrene resins, polyurethane resins, polyester resins, silicone resins, fluorinated resins, resins prepared from inorganic substances such as silica, calcium carbonate and barium sulfate;
- at least two light emitting diodes of the plurality of light emitting diodes may be of different sizes;
- the plurality of light emitting diodes may comprise:
- at least one ultraviolet emitting light diode, and/or
- at least one phosphorescent light diode.
D'autres avantages et caractéristiques du réacteur selon l’invention ressortiront mieux de la description qui va suivre de plusieurs variantes d’exécution, données à titre d'exemples non limitatifs, à partir des dessins annexés sur lesquels :
On va maintenant décrire différents exemples de photo-bioréacteurs selon l’invention en référence aux figures. Dans ces différentes figures, les éléments équivalents sont désignés par la même référence numérique.We will now describe different examples of photo-bioreactors according to the invention with reference to the figures. In these different figures, equivalent elements are designated by the same numerical reference.
1.1. GénéralitésGeneral
En référence à la
- une cuve 1 destinée à recevoir une masse à traiter,
- une pluralité de dispositifs d’éclairage 2a-2g,
- une pluralité d’unités de diffusion 3 de dioxyde de carbone (CO2) sous forme de bulles de gaz ou sous forme d’un fluide constitué de CO2dissout dans un milieu aqueux,
- un module d’alimentation 5 en énergie électrique,
- un contrôleur 6 permettant de piloter la pluralité de dispositifs d’éclairage 2a-2g, la pluralité d’unités de diffusion 3, et le module d’alimentation en énergie électrique 5.
- a tank 1 intended to receive a mass to be treated,
- a plurality of lighting devices 2a-2g,
- a plurality of diffusion units 3 of carbon dioxide (CO 2 ) in the form of gas bubbles or in the form of a fluid consisting of CO 2 dissolved in an aqueous medium,
- a 5-phase electrical power supply module,
- a controller 6 for controlling the plurality of lighting devices 2a-2g, the plurality of diffusion units 3, and the electrical energy supply module 5.
Chaque dispositif d’éclairage est destiné à être intégré dans la cuve 1 pour le traitement d’un milieu de culture 4 contenu dans la cuve 1. Ces dispositifs d’éclairage 2a-2g sont destinés à être totalement immergés dans le milieu de culture 4. Les dispositifs d’éclairages 2a-2g peuvent être de hauteurs différentes. En variante, les dispositifs d’éclairage 2a-2g peuvent être tous de hauteur identique. Ceci permet de simplifier l’installation des dispositifs d’éclairage par un opérateur.Each lighting device is intended to be integrated into the tank 1 for the treatment of a culture medium 4 contained in the tank 1. These lighting devices 2a-2g are intended to be completely immersed in the culture medium 4. The lighting devices 2a-2g may be of different heights. Alternatively, the lighting devices 2a-2g may all be of identical height. This makes it possible to simplify the installation of the lighting devices by an operator.
Dans la suite, le bioréacteur sera décrit en référence au traitement d'une biomasse formée de micro-organismes, par exemple des microalgues. On comprend toutefois que la description qui suit s'applique également à d'autres types de réacteurs du domaine de la microbiologie.In the following, the bioreactor will be described with reference to the treatment of a biomass formed by microorganisms, for example microalgae. It is understood, however, that the following description also applies to other types of reactors in the field of microbiology.
Dans le mode de réalisation illustré à la
- un premier groupe 2a, 2c, 2e, 2g de dispositifs d’éclairage disposés à une distance non nulle du fond de la cuve, et
- un deuxième groupe 2b, 2d, 2f de dispositifs d’éclairage en contact avec le fond de la cuve.
- a first group 2a, 2c, 2e, 2g of lighting devices arranged at a non-zero distance from the bottom of the tank, and
- a second group 2b, 2d, 2f of lighting devices in contact with the bottom of the tank.
Pour augmenter le brassage et l’homogénéisation de la masse à traiter, les unités de diffusion 3 peuvent être disposées tous les deux dispositifs d’éclairage de sorte que deux unités de diffusion 3 successives sont séparées par deux dispositifs d’éclairages adjacents.To increase the mixing and homogenization of the mass to be treated, the diffusion units 3 can be arranged every two lighting devices so that two successive diffusion units 3 are separated by two adjacent lighting devices.
Notamment et en référence à la
Le module d’alimentation 5 permet d’alimenter chaque dispositif d’éclairage 2a-2g en énergie électrique. En particulier, chaque dispositif d’éclairage 2a-2g est relié électriquement au module d’alimentation 5 par l’intermédiaire d’un (ou plusieurs) câble(s) de connexion électriquement conducteur(s). L’énergie électrique fournie par le module d’alimentation 5 est alors convertie en rayonnement lumineux par chaque dispositif d’éclairage 2a-2g pour illuminer le milieu de culture 4.The power supply module 5 makes it possible to supply each lighting device 2a-2g with electrical energy. In particular, each lighting device 2a-2g is electrically connected to the power supply module 5 via one (or more) electrically conductive connection cable(s). The electrical energy provided by the power supply module 5 is then converted into light radiation by each lighting device 2a-2g to illuminate the culture medium 4.
Le contrôleur 6 permet de piloter le bioréacteur. Notamment, le contrôleur 6 permet de piloter le module d’alimentation en énergie électrique pour faire varier :
- le (ou les) régime(s) d'excitation de chaque dispositif d’éclairage (par exemple régime continu pour certains dispositifs d’éclairage, et régime flash à une fréquence comprise entre 1 et 150 kHz pour d’autres dispositifs d’éclairage), et/ou
- le (ou les) spectre(s) d’émission de chaque dispositif d’éclairage (par exemple en lumière blanche pour certains dispositifs d’éclairage et en lumière bleu pour d’autres dispositifs d’éclairage), etc.
- the excitation regime(s) of each lighting device (for example continuous regime for certain lighting devices, and flash regime at a frequency between 1 and 150 kHz for other lighting devices), and/or
- the emission spectrum(s) of each lighting device (for example in white light for certain lighting devices and in blue light for other lighting devices), etc.
Le lecteur appréciera qu’au sein d’un même dispositif d’éclairage, différents régimes d’excitation et/ou spectres d’émission peuvent être mis en œuvre, comme il sera décrit plus en détails dans la suite.The reader will appreciate that within the same lighting device, different excitation regimes and/or emission spectra can be implemented, as will be described in more detail below.
22 .. CuveTank
La cuve 1 est destinée à contenir le milieu de culture 4. Elle comprend un fond et au moins une paroi latérale.The tank 1 is intended to contain the culture medium 4. It comprises a bottom and at least one side wall.
Dans le mode de réalisation illustré à la
Dans d’autres modes de réalisation, la cuve 1 peut être cylindrique et comprendre une base inférieure formant fond, une base supérieure formant couvercle, et une paroi latérale entre les bases inférieure et supérieure.In other embodiments, the tank 1 may be cylindrical and include a lower base forming a bottom, an upper base forming a lid, and a side wall between the lower and upper bases.
Le matériau constituant les parois de la cuve 1 peut être en acier inox ou équivalent. Bien entendu, d'autres matériaux peuvent être choisis en fonction de l’application visée (Plexiglass®, Polypropylène, Béton, etc.). Dans tous les cas, la cuve est de préférence réalisée dans un matériau résistant aux produits de nettoyage (javel, peroxyde, etc.).The material constituting the walls of the tank 1 may be stainless steel or equivalent. Of course, other materials may be chosen depending on the intended application (Plexiglass®, Polypropylene, Concrete, etc.). In all cases, the tank is preferably made of a material resistant to cleaning products (bleach, peroxide, etc.).
33 .. Dispositif d’éclairageLighting device
Chaque dispositif d’éclairage est flexible. Le caractère flexible de chaque dispositif d’éclairage permet de le conformer à la forme de la cuve, par exemple en le recourbant (totalement ou partiellement) dans le cas d’une cuve cylindrique.Each lighting device is flexible. The flexible nature of each lighting device allows it to be shaped to the shape of the tank, for example by curving it (totally or partially) in the case of a cylindrical tank.
Dans le cadre de la présente invention, un composant est dit « flexible » lorsqu’il est constitué dans un matériau ayant des propriétés mécaniques permettant une déformation élastique dudit composant.In the context of the present invention, a component is said to be “flexible” when it is made of a material having mechanical properties allowing elastic deformation of said component.
Le matériau flexible peut par exemple avoir :
- un module d'élasticité supérieure à 0.05 Mpa, par exemple compris entre 0.1 Mpa et 300 Gpa, et
- une limite à la rupture supérieure à 100 MPa, par exemple compris entre 200 MPa et 5GPa.
- a modulus of elasticity greater than 0.05 Mpa, for example between 0.1 Mpa and 300 Gpa, and
- a breaking limit greater than 100 MPa, for example between 200 MPa and 5GPa.
La flexibilité est en outre obtenue grâce à la géométrie du dispositif d’éclairage 2a-2g, en particulier son épaisseur.Flexibility is further achieved through the geometry of the 2a-2g lighting device, in particular its thickness.
Comme illustré à la
- un cadre périphérique 51, et
- une nappe centrale 52.
- a peripheral frame 51, and
- a central tablecloth 52.
Comme il sera décrit plus en détail dans la suite, le cadre 51 et la nappe 52 sont flexibles selon au moins une direction.As will be described in more detail hereinafter, the frame 51 and the sheet 52 are flexible in at least one direction.
3.1.3.1. Cadre périphériquePeripheral frame
Le cadre périphérique 51 permet de supporter la nappe centrale 52. Comme illustré à la
- deux bordures longitudinales 511 s’étendant parallèlement l’une à l’autre, et
- deux bordures transversales 512 s’étendant parallèlement aux bordures longitudinales 511,
- two longitudinal edges 511 extending parallel to each other, and
- two transverse edges 512 extending parallel to the longitudinal edges 511,
Les bordures 511, 512 du cadre périphérique 51 constituent des renforts pour la nappe 52 centrale. Notamment, elles permettent de protéger la nappe 52 centrale lors de la manipulation du dispositif d’éclairage 2, et limite ainsi les risques de dégradation de la nappe 52 centrale.The edges 511, 512 of the peripheral frame 51 constitute reinforcements for the central sheet 52. In particular, they make it possible to protect the central sheet 52 during handling of the lighting device 2, and thus limit the risks of degradation of the central sheet 52.
Par ailleurs les bordures 511, 512 peuvent permettre de contraindre la nappe 52 selon une forme souhaitée en l’absence de sollicitation extérieure. Par exemple, dans le mode de réalisation illustré à la
A cet effet, les bordures peuvent être rigides ou présenter une flexibilité non nulle. Pour contraindre la forme de la nappe lorsque sa flexibilité est non nulle, chaque bordure 511, 512 présente un coefficient de raideur supérieur au coefficient de raideur de la nappe centrale 52. Dans la suite, on qualifiera de « bordure flexible » chaque bordure 511, 512 de flexibilité non-nulle, même si le coefficient de raideur de ladite bordure est supérieur au coefficient de raideur de la nappe 52 centrale.For this purpose, the edges may be rigid or have non-zero flexibility. To constrain the shape of the sheet when its flexibility is non-zero, each edge 511, 512 has a stiffness coefficient greater than the stiffness coefficient of the central sheet 52. In the following, each edge 511, 512 of non-zero flexibility will be referred to as a “flexible edge”, even if the stiffness coefficient of said edge is greater than the stiffness coefficient of the central sheet 52.
Dans certains modes de réalisation, les quatre bordures 511, 512 sont flexibles. Dans ce cas, le cadre périphérique 51 est flexible selon deux directions orthogonales D1, D2.In some embodiments, the four edges 511, 512 are flexible. In this case, the peripheral frame 51 is flexible in two orthogonal directions D1, D2.
Dans d’autres modes de réalisation, uniquement deux bordures 511 parallèles (par exemple les bordures longitudinales) sont flexibles, les deux autres bordures 512 (par exemple les bordures transversales) étant rigides. Dans ce cas, le cadre périphérique 51 est flexible selon une unique direction. Le fait que le cadre périphérique 52 soit flexible uniquement selon une direction permet d’améliorer sa tenue (maintien en forme) dans une direction orthogonale à son déplacement lorsque le dispositif d’éclairage est manipulé, par exemple dans le cadre d’une opération de maintenance.In other embodiments, only two parallel edges 511 (e.g. the longitudinal edges) are flexible, the other two edges 512 (e.g. the transverse edges) being rigid. In this case, the peripheral frame 51 is flexible in a single direction. The fact that the peripheral frame 52 is flexible in only one direction makes it possible to improve its holding (shape retention) in a direction orthogonal to its movement when the lighting device is handled, for example during a maintenance operation.
Chaque bordure 511 peut être rigide sur une partie seulement de sa longueur. Par exemple, dans le mode de réalisation illustré à la
En référence à la
Avantageusement, une structure support rigide (non représentée) comportant des logements dans chacun desquels sont logés un dispositif d’éclairage flexible respectif peut être prévue dans la cuve.Advantageously, a rigid support structure (not shown) comprising housings in each of which is housed a respective flexible lighting device may be provided in the tank.
Une telle structure support – dont chaque logement peut être défini par un (ou plusieurs) rail(s) de guidage dans lequel (lesquels) le dispositif d’éclairage associé est apte à coulisser – permet de conformer le dispositif d’éclairage flexible afin de recourber son extrémité dans le photo-bioréacteur.Such a support structure – each housing of which can be defined by one (or more) guide rail(s) in which the associated lighting device is able to slide – makes it possible to conform the flexible lighting device in order to curve its end in the photo-bioreactor.
3.2.3.2. Nappe centraleCentral tablecloth
En référence aux figures 2, 6 et 7, la nappe 52 du dispositif d’éclairage 2 comprend :
- une plaque 21 flexible, et
- au moins une diode lumineuse 22, 22a, 22b, 22c montée(s) sur la (ou les) plaque(s) 21 flexible(s).
- a flexible plate 21, and
- at least one light diode 22, 22a, 22b, 22c mounted on the flexible plate(s) 21.
Par exemple dans le mode de réalisation illustré à la
En variante et comme illustré aux figures 6 et 7, chaque dispositif d’éclairage 2 comprend une pluralité de diodes lumineuses 22, 22a, 22b, 22c (ayant chacune une superficie comprise entre 0.01 m² et 6m²).Alternatively and as illustrated in Figures 6 and 7, each lighting device 2 comprises a plurality of light diodes 22, 22a, 22b, 22c (each having a surface area of between 0.01 m² and 6 m²).
Chaque diode lumineuse 22, 22a, 22b, 22c peut être collée sur la plaque flexible 21.Each light diode 22, 22a, 22b, 22c can be glued to the flexible plate 21.
En variante, chaque diode lumineuse 22, 22a, 22b, 22c peut être feuilletée sur la plaque flexible 21 à l'aide d'un intercalaire de feuilletage.Alternatively, each light diode 22, 22a, 22b, 22c may be laminated on the flexible plate 21 using a lamination interlayer.
33 .2.1..2.1. Plaque flexibleFlexible plate
Chaque plaque 21 flexible peut être sensiblement rectangulaire. Toutefois, chaque plaque 21 peut présenter une autre forme.Each flexible plate 21 may be substantially rectangular. However, each plate 21 may have another shape.
Le matériau constituant chaque plaque 21 peut être du poly-méthacrylate de méthyle (PMMA) ou un autre matériau transparent connu de l’homme du métier qui permet à la plaque 211 de conduire – par transmission entre ses faces avant et arrière – le flux lumineux émis par la (ou les) diode(s) lumineuse(s), comme par exemple :
- une autre résine méthacrylique transparente telle que le méthacrylate de méthyle, le éthacrylate d'éthyle, le méthacrylate de butyle, le méthacrylate de propyle ou d'isopropyle, ou
- une résine transparente de type polystyrène, polycarbonate, polyacrylate, ou
- un verre / une silice fondue.
- another transparent methacrylic resin such as methyl methacrylate, ethyl ether, butyl methacrylate, propyl or isopropyl methacrylate, or
- a transparent resin such as polystyrene, polycarbonate, polyacrylate, or
- a glass / a fused silica.
En variante, le matériau constituant chaque plaque 21 peut être un métal.Alternatively, the material constituting each plate 21 may be a metal.
Dans certaines variantes de réalisation, la plaque peut comprendre une couche de matériau réfléchissant le flux lumineux généré par la (ou les) diode(s) lumineuse(s). Cette couche de matériau réfléchissant s’étend de préférence entre la plaque 21 et la (ou les) diode(s) lumineuse(s). Elle permet de réfléchir, orienter et focaliser la lumière produite par la (ou les) diode(s) lumineuse(s). La couche de matériau réfléchissant peut consister en un film de matériau réfléchissant tel qu’un film métallisé d’aluminium, ou une peinture.In some embodiments, the plate may comprise a layer of material reflecting the light flux generated by the light diode(s). This layer of reflective material preferably extends between the plate 21 and the light diode(s). It makes it possible to reflect, orient and focus the light produced by the light diode(s). The layer of reflective material may consist of a film of reflective material such as a metallized aluminum film, or a paint.
33 .2.2..2.2. Diode lumineuseLight diode
33 .2..2. 22 .1..1. StructureStructure
Chaque diode lumineuse comporte une (ou plusieurs) couche(s) de matériau(x) électroluminescent(s) encadrée(s) par deux électrodes :
- l’une des électrodes – appelée anode – est agencée sous la (ou chaque) couche de matériau électroluminescent, et
- l'autre des électrodes – appelée cathode – est agencée sur la (ou chaque) couche de matériau électroluminescent à l'opposé de l'anode.
- one of the electrodes – called the anode – is arranged under the (or each) layer of electroluminescent material, and
- the other of the electrodes – called the cathode – is arranged on the (or each) layer of electroluminescent material opposite the anode.
Il sera entendu dans la suite que lorsqu’une couche A est mentionnée comme étant« sur »(respectivement« sous ») une couche B, celle-ci peut être directement sur (respectivement sous) la couche B, ou peut être située au-dessus (respectivement au-dessous) de la couche B et séparée de ladite couche B par une ou plusieurs couches intermédiaires. Par ailleurs, il sera entendu que lorsqu’une couche A est mentionnée comme étant« sur »(respectivement« sous ») une couche B, celle-ci peut recouvrir totalement ou partiellement la couche B (respectivement être recouverte totalement ou partiellement par la couche B).It will be understood hereinafter that when a layer A is referred to as being "on" (respectively "under" ) a layer B, the latter may be directly on (respectively under) the layer B, or may be located above (respectively below) the layer B and separated from said layer B by one or more intermediate layers. Furthermore, it will be understood that when a layer A is referred to as being "on" (respectively "under" ) a layer B, the latter may totally or partially cover the layer B (respectively be totally or partially covered by the layer B).
Chaque diode lumineuse émet de la lumière par électroluminescence en utilisant l'énergie de recombinaison de trous injectés depuis l'anode et d'électrons injectés depuis la cathode.Each light emitting diode emits light by electroluminescence using the recombination energy of holes injected from the anode and electrons injected from the cathode.
Avantageusement l'anode et la cathode peuvent être constituées dans un matériau transparent, de sorte que les photons émis traversent chaque électrode pour fournir de la lumière en dehors de la diode lumineuse par ses deux faces.Advantageously, the anode and the cathode can be made of a transparent material, so that the emitted photons pass through each electrode to provide light outside the light diode through its two faces.
En référence à la
- une première électrode 221 en contact avec la plaque flexible 21,
- une unité d’émission rouge 222 directement sur la première électrode 221 et recouverte d’une gamme chimique qui émet dans le rouge,
- une deuxième électrode 223 directement sur l’unité d’émission rouge 222,
- une unité d’émission verte 224 directement sur la deuxième électrode 223 et recouverte d’une gamme chimique qui émet dans le vert,
- une troisième électrode 225 directement sur l’unité d’émission verte 224,
- une unité d’émission bleue 226 directement sur la troisième électrode 225 et recouverte d’une gamme chimique qui émet dans le bleu,
- une quatrième électrode 227 directement sur l’unité d’émission bleue 226.
- a first electrode 221 in contact with the flexible plate 21,
- a red emitting unit 222 directly on the first electrode 221 and covered with a chemical range which emits in the red,
- a second electrode 223 directly on the red emission unit 222,
- a green emitting unit 224 directly on the second electrode 223 and covered with a chemical range which emits in the green,
- a third electrode 225 directly on the green emission unit 224,
- a blue emitting unit 226 directly on the third electrode 225 and covered with a chemical range which emits in the blue,
- a fourth electrode 227 directly on the blue emission unit 226.
Le fait d’empiler plusieurs unités d’émission 222, 224, 226 permet de pouvoir faire varier le spectre d’émission du rayonnement lumineux émis par la diode lumineuse.Stacking several emission units 222, 224, 226 makes it possible to vary the emission spectrum of the light radiation emitted by the light diode.
Plus précisément, avec une telle structure la couleur des rayonnements lumineux émis par la diode lumineuse peut être modifiée pour la rendre particulièrement adaptée à une méthode de maturation ou de de croissance spécifique, comme il sera décrit plus en détails dans la suite.More specifically, with such a structure the color of the light rays emitted by the light diode can be modified to make it particularly suitable for a specific maturation or growth method, as will be described in more detail below.
Chaque diode lumineuse 22, 22a, 22b, 22c peut être choisie parmi :
- une Diode Electro-Luminescente conventionnelle DEL (ou« LED »selon l’acronyme anglo-saxon« Light-Emitting Diode »),
- une Diode Electro-Luminescente organique DELO flexible (ou« OLED »selon l’acronyme anglo-saxon« Organic Light-Emitting Diode »),ou
- une mini Diode Electro-Luminescente (ou« mini LED »selon l’acronyme anglo-saxon« Mini Light-Emitting Diode »).
- a conventional Light- Emitting Diode ( LED ),
- a flexible organic light- emitting diode ( OLED) or
- a mini Light-Emitting Diode (or “mini LED” according to the English acronym “Mini Light-Emitting Diode” ).
Le caractère flexible des diodes lumineuses de type OLED permet de conserver la flexibilité des dispositifs d’éclairage même lorsque les diodes lumineuses de type OLED (disposées sur la plaque flexible) sont en contact les unes avec les autres.The flexible nature of OLED light emitting diodes allows the flexibility of lighting devices to be maintained even when the OLED light emitting diodes (arranged on the flexible plate) are in contact with each other.
Lorsque les diodes lumineuses sont d’un type autre qu’une OLED, celles-ci sont espacées les unes des autres d’une distance suffisante pour permettre de plier le dispositif d’éclairage selon un angle supérieur ou égal à 60°, préférentiellement selon un angle supérieur ou égal à 90°, plus préférentiellement selon un angle supérieur ou égal à 120°, et encore plus préférentiellement selon un angle égal à 180°. Notamment, les diodes lumineuses peuvent être espacées les unes des autres d’une distance supérieure ou égale à 50µm.When the light diodes are of a type other than an OLED, they are spaced apart from each other by a sufficient distance to allow the lighting device to be bent at an angle greater than or equal to 60°, preferably at an angle greater than or equal to 90°, more preferably at an angle greater than or equal to 120°, and even more preferably at an angle equal to 180°. In particular, the light diodes may be spaced apart from each other by a distance greater than or equal to 50 µm.
L’utilisation de diodes lumineuses de type mini LED permet de disposer de sources lumineuses plus petites que les diodes lumineuses de type LED conventionnelles (taille inférieure à 500 µm), ce qui permet d’augmenter le nombre de sources lumineuses par unité de surface (amélioration de la luminosité et du contraste), et de réduire l’épaisseur des dispositifs d’éclairage.The use of mini LED type light diodes makes it possible to have smaller light sources than conventional LED type light diodes (size less than 500 µm), which makes it possible to increase the number of light sources per unit area (improving brightness and contrast), and to reduce the thickness of the lighting devices.
33 .2..2. 22 .2..2. Avantage associé à l’utilisation d’OLEDAdvantage associated with using OLED
Comme illustré aux figures 4 et 5, l’utilisation de diodes lumineuses de type OLED 22 flexibles permet d’augmenter l’homogénéité de la lumière 228 émise par le dispositif d’éclairage selon l’invention en comparaison à la lumière 92 émise par une diode lumineuse de type LED 91 conventionnelle.As illustrated in Figures 4 and 5, the use of flexible OLED type light diodes 22 makes it possible to increase the homogeneity of the light 228 emitted by the lighting device according to the invention in comparison with the light 92 emitted by a conventional LED type light diode 91.
En particulier :
- l’angle incident 2α de la lumière 92 émise par une diode lumineuse de type LED 91 est de 120°, comme illustré à la
- l’angle incident 2α de la lumière 228 émise par une diode lumineuse de type OLED flexible est de 178°, comme illustré à la
- the incident angle 2α of the light 92 emitted by a LED type light diode 91 is 120°, as illustrated in
- The incident angle 2α of the 228 light emitted by a flexible OLED type light diode is 178°, as shown in
Ainsi, l’utilisation de diodes lumineuses de type OLED assure une meilleure homogénéité de la lumière, et permet d’optimiser le volume éclairé dans le bioréacteur.Thus, the use of OLED type light diodes ensures better homogeneity of light, and makes it possible to optimize the illuminated volume in the bioreactor.
33 .2.3..2.3. Couche deLayer of revêtement extérieurexterior coating
En référence à la
Cette couche de revêtement 23 permet de protéger la (ou les) diode(s) lumineuse(s) et la (ou les) plaque(s) 21 contre d’éventuelles agressions mécaniques (rayures dues à un frottement, etc.). Elle permet en outre d’assurer l’étanchéité du dispositif d’éclairage.This coating layer 23 protects the light diode(s) and the plate(s) 21 against possible mechanical damage (scratches due to friction, etc.). It also ensures the sealing of the lighting device.
Dans certaines variantes de réalisation, la couche de revêtement 23 permet également d’améliorer la diffusion de la lumière émise par la (ou les) diode(s) lumineuse(s). En effet, lorsque la lumière est appliquée sur un matériau, une partie de la lumière se réfléchit, une partie est absorbée et une autre partie est transmise au travers. Ces paramètres peuvent être déterminées par l’homme du métier à l’aide de méthodes classiques de photométries et d’optiques. Dans le cadre de la présente invention, la couche de revêtement externe 23 peut être une couche de transmission permettant de favoriser la transmission des rayonnements lumineux émis par la (ou les) diode(s) lumineuse(s) vers l’extérieur. Notamment, le matériau constituant la couche de revêtement 23 peut être une résine incluant des particules transparentes, en particulier une résine thermoplastique. Dans ce dernier cas, la résine être une résine synthétique ou semi-synthétique et être choisie parmi les résines (méth)acryliques réticulées, les résines de styrène réticulées, les résines de polyuréthane, les résines de polyester, les résines de silicone, les résines fluorées, les résines préparées à partir de substances inorganiques telles que la silice, le carbonate de calcium et le sulfate de baryum. Parmi ces résines, les résines synthétiques sont préférées, en particulier, les résines (méth)acryliques réticulées, les résines de styrène réticulées, les résines de copolymères (méth)acrylique - styrène réticulé et les résines de silicone sont préférées. Les résines (méth)acryliques réticulées, les résines de styrène réticulées et leurs copolymères sont tout particulièrement préférés car il est possible d'éviter leur décoloration par les rayons ultraviolets notamment par des procédés de réticulation. Ces dernières présentent donc une meilleure durée de vie que les autres résines. De préférence, la couche de revêtement 23 comprend un matériau diffusant ayant une / transmittance de préférence d’au moins 90 %, encore préférentiellement d’au moins 95%, toujours encore préférentiellement comprise entre 95% et 98%.In some embodiments, the coating layer 23 also makes it possible to improve the diffusion of the light emitted by the light diode(s). Indeed, when light is applied to a material, part of the light is reflected, part is absorbed and another part is transmitted through. These parameters can be determined by a person skilled in the art using conventional photometry and optical methods. In the context of the present invention, the external coating layer 23 can be a transmission layer making it possible to promote the transmission of the light radiation emitted by the light diode(s) to the outside. In particular, the material constituting the coating layer 23 can be a resin including transparent particles, in particular a thermoplastic resin. In the latter case, the resin may be a synthetic or semi-synthetic resin and be selected from crosslinked (meth)acrylic resins, crosslinked styrene resins, polyurethane resins, polyester resins, silicone resins, fluorinated resins, resins prepared from inorganic substances such as silica, calcium carbonate and barium sulfate. Among these resins, synthetic resins are preferred, in particular, crosslinked (meth)acrylic resins, crosslinked styrene resins, crosslinked (meth)acrylic-styrene copolymer resins and silicone resins are preferred. Crosslinked (meth)acrylic resins, crosslinked styrene resins and their copolymers are particularly preferred since it is possible to prevent their discoloration by ultraviolet rays in particular by crosslinking processes. The latter therefore have a better lifespan than the other resins. Preferably, the coating layer 23 comprises a diffusing material having a transmittance preferably of at least 90%, still preferably of at least 95%, still still preferably between 95% and 98%.
De préférence, lorsque la couche de revêtement a pour fonction d’améliorer la diffusion de la lumière émise par la (ou les) diode(s) lumineuse(s), celle-ci est configurée pour que la lumière émise par le dispositif lumineux ait un degré de dispersion de préférence supérieur ou égal à 170°, encore préférentiellement supérieur ou égal à 175°, toujours encore préférentiellement comprise entre 175° et 180°.Preferably, when the coating layer has the function of improving the diffusion of the light emitted by the light diode(s), it is configured so that the light emitted by the light device has a degree of dispersion preferably greater than or equal to 170°, still more preferably greater than or equal to 175°, still more preferably between 175° and 180°.
Avantageusement, la couche de revêtement 23 peut également avoir une fonction de filtrage des longueurs d’ondes de la lumière émise par le dispositif d’éclairage. Notamment le matériau constituant la couche de revêtement peut être choisi pour permettre la transmission des rayonnements lumineux dont les longueurs d’onde sont comprises entre 380nm et 800 nm, de préférence entre 400 nm et 720 nm, encore plus préférentiellement entre 420 et 690 nm.Advantageously, the coating layer 23 can also have a function of filtering the wavelengths of the light emitted by the lighting device. In particular, the material constituting the coating layer can be chosen to allow the transmission of light radiation whose wavelengths are between 380 nm and 800 nm, preferably between 400 nm and 720 nm, even more preferably between 420 and 690 nm.
De préférence, l’épaisseur de la couche de revêtement 23 est comprise entre 0,1 mm et 5,0 mm, préférentiellement comprise entre 0,5 mm à 3,0 mm, encore plus préférentiellement comprise entre 0,5 mm et 2,0 mm. Pour une même épaisseur, un dispositif d’éclairage selon l’invention comprenant une couche de revêtement 23 en matériau diffusant flexible tel que défini ci-dessus, présente une meilleure capacité de diffusion que les dispositifs lumineux de l’art antérieur et donc un meilleur rendement W/Lumen/unité de surface. Ainsi, pour un rendement en biomasse de microorganisme équivalent, un procédé de culture utilisant un bioréacteur comprenant un dispositif d’éclairage selon l’invention exigera moins d’énergie électrique. Par ailleurs, le dispositif d’éclairage décrit ci-dessus est plus sûr car il ne nécessite que de faibles voltages.Preferably, the thickness of the coating layer 23 is between 0.1 mm and 5.0 mm, preferably between 0.5 mm and 3.0 mm, even more preferably between 0.5 mm and 2.0 mm. For the same thickness, a lighting device according to the invention comprising a coating layer 23 made of flexible diffusing material as defined above, has a better diffusion capacity than the lighting devices of the prior art and therefore a better W/Lumen/unit surface yield. Thus, for an equivalent microorganism biomass yield, a culture method using a bioreactor comprising a lighting device according to the invention will require less electrical energy. Furthermore, the lighting device described above is safer because it only requires low voltages.
La couche de revêtement 23 peut également être constituée dans un matériau (ou être recouverte d’un matériau) limitant sa salissure (notamment en empêchant le dépôt de microalgues sur sa surface). La couche de revêtement 23 peut par exemple consister en un verre souple de type Corning (d’épaisseur comprise entre 0.1mm à 0.7mm). Un tel revêtement étanche en verre permet en outre un meilleur échange de la chaleur émise par la (ou les) diode(s) lumineuse(s) vers le milieu de culture (ce qui peut favoriser sa croissance de microorganismes contenus dans le milieu de culture 4). Un tel revêtement étanche en verre constitue en outre une meilleure barrière aux gaz injectés dans le bioréacteur.The coating layer 23 may also be made of a material (or be covered with a material) that limits its soiling (in particular by preventing the deposition of microalgae on its surface). The coating layer 23 may for example consist of a flexible glass of the Corning type (with a thickness of between 0.1 mm and 0.7 mm). Such a sealed glass coating also allows for better exchange of the heat emitted by the light diode(s) towards the culture medium (which can promote the growth of microorganisms contained in the culture medium 4). Such a sealed glass coating also constitutes a better barrier to the gases injected into the bioreactor.
33 .2..2. 44 .. Exemples de dispositif d’éclairageExamples of lighting devices
En référence aux figures 6 et 7, d’autres exemples de dispositif d’éclairage sont illustrés.Referring to Figures 6 and 7, other examples of lighting devices are illustrated.
Dans ces modes de réalisation, la nappe centrale du dispositif d’éclairage 2 comprend une plaque flexible 21 et une pluralité de diodes lumineuses 22, 22a, 22b, 22c montées sur la plaque flexible 21.In these embodiments, the central sheet of the lighting device 2 comprises a flexible plate 21 and a plurality of light diodes 22, 22a, 22b, 22c mounted on the flexible plate 21.
L’utilisation d’une pluralité de diodes lumineuses 22, 22a, 22b, 22c permet d’améliorer la modularité du dispositif d’éclairage 2, et notamment de faire varier sa taille et ses dimensions afin de les adapter à la taille et aux dimensions de la cuve 1.The use of a plurality of light diodes 22, 22a, 22b, 22c makes it possible to improve the modularity of the lighting device 2, and in particular to vary its size and dimensions in order to adapt them to the size and dimensions of the tank 1.
Dans le mode de réalisation illustré à la
En variante, les diodes lumineuses peuvent être de taille et/ou de type (LED, OLED, mini LED), et/ou de structure différentes, comme illustré à la
Par exemple, chaque dispositif d’éclairage 2 peut comprendre :
- une (ou plusieurs) diode(s) lumineuse(s) fluorescente(s) 22a,
- une (ou plusieurs) diode(s) lumineuse(s) à émission ultraviolet 22b (par exemple « UVOLED », acronyme de l’expression anglo-saxonne « Ultra-Violet Organic Light-Emitting Diodes »), et/ou
- une (ou plusieurs) diode(s) lumineuse(s) phosphorescente(s) 22c (par exemple « PHOLED », acronyme de l’expression anglo-saxonne « Phosphorescent Organic Light-Emitting Diodes »).
- one (or more) fluorescent light diode(s) 22a,
- one (or more) 22b ultraviolet emitting light diode(s) (for example “UVOLED”, acronym for the Anglo-Saxon expression “Ultra-Violet Organic Light-Emitting Diodes”), and/or
- one (or more) 22c phosphorescent light-emitting diode(s) (for example “PHOLED”, acronym for the Anglo-Saxon expression “Phosphorescent Organic Light-Emitting Diodes”).
La présence d’une (ou plusieurs) diode(s) lumineuse(s) à émission ultraviolet 22b permet l’émission d’un rayonnement UV-C pour stériliser le milieu de culture, et/ou éliminer une culture contaminée dans un compartiment du bioréacteur et/ou provoquer un stress métabolique du milieu de culture.The presence of one (or more) ultraviolet emitting light diode(s) 22b allows the emission of UV-C radiation to sterilize the culture medium, and/or eliminate a contaminated culture in a compartment of the bioreactor and/or cause metabolic stress of the culture medium.
33 .. 2.52.5 .. Avantages du dispositif d’éclairage selon l’inventionAdvantages of the lighting device according to the invention
Le caractère flexible du dispositif d’éclairage permet de délimiter un chemin de circulation pour le milieu de culture dans lequel :
- les pertes de charge dans le flux de circulation du milieu de culture sont réduites,
- les zones non éclairées le long de ce chemin de circulation sont limitées.
- pressure losses in the circulation flow of the culture medium are reduced,
- Unlit areas along this traffic path are limited.
Ces phénomènes vont maintenant être présenté en référence aux figures 8 à 10 pour permettre à l’homme du métier de mieux comprendre les avantages associés à l’utilisation de dispositif d’éclairage flexible.These phenomena will now be presented with reference to Figures 8 to 10 to enable those skilled in the art to better understand the advantages associated with the use of a flexible lighting device.
En référence à la
- un dispositif d’éclairage 7b, 7d, 7f, 7h en contact avec le fond de la cuve 1 est adjacent à deux dispositifs d’éclairage 7a, 7c, 7e, 7g, 7i en contact avec le couvercle de la cuve 1,
- un dispositif d’éclairage 7a, 7c, 7e, 7g, 7i en contact avec le couvercle de la cuve 1 est entouré par deux dispositifs d’éclairage 7b, 7d, 7f, 7h en contact avec le fond de la cuve 1.
- a lighting device 7b, 7d, 7f, 7h in contact with the bottom of the tank 1 is adjacent to two lighting devices 7a, 7c, 7e, 7g, 7i in contact with the cover of the tank 1,
- a lighting device 7a, 7c, 7e, 7g, 7i in contact with the cover of the tank 1 is surrounded by two lighting devices 7b, 7d, 7f, 7h in contact with the bottom of the tank 1.
Ceci permet de délimiter un chemin de circulation en créneau pour le milieu de culture 4.This makes it possible to delimit a slotted circulation path for the culture medium 4.
Or une telle forme en créneau induit la présence de« zone d’ombre »8 le long du chemin de circulation, à savoir de zones au niveau desquelles le milieu de culture 4 n’est pas (ou pas suffisamment) éclairé.However, such a notched shape induces the presence of “shadow zones” 8 along the circulation path, namely zones at the level of which the culture medium 4 is not (or not sufficiently) illuminated.
Par ailleurs, cette forme en créneau induit des pertes de charge. En particulier et comme illustré à la
La flexibilité des dispositifs d’éclairage 2a-2j selon l’invention permet de recourber l’extrémité du dispositif d’éclairage afin de former un chemin d’accès composé d’une succession de segments arrondis à leurs extrémités, comme illustré à la
Il est ainsi possible d’éclairer le milieu à la jonction entre deux segments successifs, ce qui réduit les« zones d’ombres »le long du chemin de circulation.It is thus possible to illuminate the environment at the junction between two successive segments, which reduces the “shadow zones” along the circulation path.
Par ailleurs, la forme arrondie en U (obtenue en recourbant l’extrémité des dispositifs d’éclairage successifs) permet de limiter les pertes de charge à la jonction entre deux segments successifs.Furthermore, the rounded U shape (obtained by bending the end of the successive lighting devices) helps to limit pressure losses at the junction between two successive segments.
33 .. 33 .. Module d’alimentation en énergie électrique et ContrôleurPower Supply Module and Controller
Comme indiqué précédemment, le module d’alimentation 5 illustré aux figures 1 et 2 permet de fournir l’énergie électrique nécessaire à la génération d’un rayonnement lumineux par chaque diode lumineuse 22, 22a, 22b, 22c.As indicated previously, the power supply module 5 illustrated in FIGS. 1 and 2 makes it possible to supply the electrical energy necessary for the generation of light radiation by each light diode 22, 22a, 22b, 22c.
Chaque dispositif d’éclairage 2 peut être raccordée indépendamment au module d’alimentation 5 en énergie électrique. Ceci permet de retirer individuellement chaque dispositif d’éclairage 2 du bioréacteur pendant le fonctionnement de celui-ci.Each lighting device 2 can be independently connected to the electrical energy supply module 5. This allows each lighting device 2 to be individually removed from the bioreactor during operation thereof.
Lorsque le dispositif d’éclairage comprend une pluralité de diodes lumineuses, chaque diode lumineuse peut être individuellement raccordée au module d’alimentation 5. Plus précisément, le module d’alimentation 5 est connecté électriquement aux électrodes de chaque diode lumineuse. Ceci permet de contrôler individuellement le rayonnement lumineux émis par chaque diode lumineuse.When the lighting device comprises a plurality of light diodes, each light diode can be individually connected to the power supply module 5. More specifically, the power supply module 5 is electrically connected to the electrodes of each light diode. This makes it possible to individually control the light radiation emitted by each light diode.
A cet effet, le module d’alimentation 5 est en communication (avec ou sans fil) avec le contrôleur 6 qui est configuré pour émettre des signaux de commande permettant notamment :
- d’activer/désactiver sélectivement chaque diode lumineuse du dispositif d’éclairage, par exemple en fonction d’un taux de remplissage du bioréacteur ; il est ainsi possible d’optimiser l’efficacité du bioréacteur ainsi que sa monté en puissance électrique,
- de définir individuellement le régime d'excitation (régime continu ou flash) de chaque diode lumineuse.
- to selectively activate/deactivate each light diode of the lighting device, for example depending on a filling rate of the bioreactor; it is thus possible to optimize the efficiency of the bioreactor as well as its electrical power increase,
- to individually define the excitation regime (continuous or flash regime) of each light diode.
Par ailleurs, la présence d’un contrôleur connecté aux diodes lumineuses permet de détecter un éventuel défaut d’une (ou de plusieurs) diode(s) lumineuse(s). Cette détection permet de localiser la (ou les) diode(s) lumineuse(s) défaillantes afin de la (ou les) remplacer le cas échéant.In addition, the presence of a controller connected to the light diodes makes it possible to detect a possible fault in one (or more) light diode(s). This detection makes it possible to locate the faulty light diode(s) in order to replace it (or them) if necessary.
Lorsque la (ou les) diode(s) lumineuse(s) du dispositif d’éclairage flexible présente(nt) la structure illustrée à la
En effet, dans ce cas, le module d’alimentation 5 est raccordé électriquement aux première, deuxième, troisième et quatrième électrodes 221, 223, 225, 227. Pour faire varier le spectre d’émission de chaque diode lumineuse, le contrôleur 6 contrôle la quantité d’énergie électrique fournie par le module d’alimentation 5 à chacune des première deuxième, troisième et quatrième électrodes 221, 223, 225, 227, afin de moduler l’intensité du rayonnement émis par chaque unité d’émission 222, 224, 226 respective. En se mélangeant, les rayonnements lumineux rouge, vert et bleu émis par les unités d’émission permettent alors d’obtenir un spectre spécifique (lumière blanche, jaune, violette, etc.) adapté à une application donnée.Indeed, in this case, the power supply module 5 is electrically connected to the first, second, third and fourth electrodes 221, 223, 225, 227. To vary the emission spectrum of each light diode, the controller 6 controls the quantity of electrical energy supplied by the power supply module 5 to each of the first, second, third and fourth electrodes 221, 223, 225, 227, in order to modulate the intensity of the radiation emitted by each respective emission unit 222, 224, 226. By mixing, the red, green and blue light radiation emitted by the emission units then makes it possible to obtain a specific spectrum (white, yellow, violet light, etc.) adapted to a given application.
Par exemple la croissance d’une microalgue de type Oscillatoria sp est plus rapide dans le cas d’un rayonnement lumineux dont les longueurs d’onde sont comprises dans un spectre bleu. De même, les pigments de chlorophylle et de caroténoïde sont eux observés à forte concentration dans des rayonnements lumineux bleus. Pour induire l’émission d’une lumière bleue par une diode lumineuse, le contrôleur 6 commande au module d’alimentation 5 d’alimenter uniquement en énergie électrique les troisième et quatrième électrodes 225, 227 entre lesquelles s’étend l’unité d’émission bleue 226.For example, the growth of a microalga of the Oscillatoria sp type is faster in the case of light radiation whose wavelengths are included in a blue spectrum. Similarly, chlorophyll and carotenoid pigments are observed at high concentrations in blue light radiation. To induce the emission of blue light by a light diode, the controller 6 commands the power supply module 5 to supply only the third and fourth electrodes 225, 227 between which the blue emission unit 226 extends with electrical energy.
La croissance d’une microalgue de type Ankistrodesmus est quant à elle plus rapide dans le cas d’un rayonnement lumineux vert. Pour induire l’émission d’une lumière verte par une diode lumineuse, le contrôleur 6 commande au module d’alimentation 5 de n’alimenter en énergie électrique que les deuxième et troisième électrodes 223, 225 entre lesquelles s’étend l’unité d’émission verte 224.The growth of a microalga of the Ankistrodesmus type is faster in the case of green light radiation. To induce the emission of green light by a light diode, the controller 6 commands the power supply module 5 to supply electrical energy only to the second and third electrodes 223, 225 between which the green emission unit 224 extends.
L'accumulation de lipides est élevée dans un rayonnement lumineux de couleur jaune par rapport aux autres rayonnements lumineux chez Ankistrodesmus. Pour induire l’émission d’une lumière jaune par une diode lumineuse, le contrôleur 6 commande au module d’alimentation 5 d’alimenter uniquement en énergie électrique les première deuxième et troisième électrodes 221, 223, 225 entre lesquelles s’étendent les unités d’émission rouge et verte 222, 224. Le mélange des rayonnements lumineux rouge et vert issus des unités d’émission rouge et verte 222, 224 produit alors une lumière jaune.Lipid accumulation is high in yellow light radiation compared to other light radiation in Ankistrodesmus. To induce the emission of yellow light by a light diode, the controller 6 commands the power supply module 5 to supply only electrical energy to the first, second and third electrodes 221, 223, 225 between which the red and green emission units 222, 224 extend. The mixture of the red and green light radiation from the red and green emission units 222, 224 then produces yellow light.
Il également possible de privilégier l’émission de rayonnement lumineux dans le spectre ultraviolet afin de stimuler la production de vitamine, notamment la vitamine D3.It is also possible to favor the emission of light radiation in the ultraviolet spectrum in order to stimulate the production of vitamins, in particular vitamin D3.
Ainsi, la combinaison d’une diode lumineuse incluant un empilement de structures 222, 224, 226, d’un module d’alimentation 5 (raccordé à la diode lumineuse) et d’un contrôleur 6 (pilotant le module d’alimentation 5) permet de moduler le spectre d’émission de la diode lumineuse.Thus, the combination of a light diode including a stack of structures 222, 224, 226, a power supply module 5 (connected to the light diode) and a controller 6 (controlling the power supply module 5) makes it possible to modulate the emission spectrum of the light diode.
Avantageusement cette modulation du spectre d’émission de la diode lumineuse peut varier au cours du temps, pour s’adapter à des conditions de croissance de biomasse et/ou de stress et/ou de production de métabolites.Advantageously, this modulation of the emission spectrum of the light diode can vary over time, to adapt to conditions of biomass growth and/or stress and/or production of metabolites.
Par exemple, un utilisateur du bioréacteur selon l’invention peut :
- à un stade initial, moduler le spectre d’émission des diodes lumineuses de sorte à induire l’émission de rayonnements lumineux de couleur bleue afin d’augmenter la croissance de microalgues, puis
- à un stade ultérieur, modifier le spectre d’émission des diodes lumineuses de sorte à induire l’émission de rayonnements lumineux de couleur jaune afin d’augmenter l'accumulation de lipides par les microalgues.
- at an initial stage, modulating the emission spectrum of the light diodes so as to induce the emission of blue-colored light rays in order to increase the growth of microalgae, then
- at a later stage, modifying the emission spectrum of the light diodes so as to induce the emission of yellow-colored light rays in order to increase the accumulation of lipids by the microalgae.
33 .. 44 .. Unité de diffusionBroadcast unit
Les unités de diffusion 3 illustrées à la
En particulier, les unités de diffusion 3 permettent :
- de fournir le dioxyde de carbone nécessaire au développement du milieu de culture 4, et
- de mettre en suspension les particules supports de microorganismes contenus dans le milieu de culture.
- to provide the carbon dioxide necessary for the development of the culture medium 4, and
- to suspend the microorganism support particles contained in the culture medium.
L'apport de dioxyde de carbone peut être continu ou discontinu en réponse à certains critères tels que le temps ou le pH. Le dioxyde de carbone peut être introduit :
- sous forme de bulles de gaz, ou
- sous forme d'une solution aqueuse pompée ou poussée dans le bioréacteur.
- in the form of gas bubbles, or
- in the form of an aqueous solution pumped or pushed into the bioreactor.
L’introduction de dioxyde de carbone sous forme de bulles de gaz permet une meilleure répartition du CO2dans la cuve 1.The introduction of carbon dioxide in the form of gas bubbles allows a better distribution of CO2 in tank 1.
Les unités de diffusion 3 peuvent être de différents types connus de l’homme du métier, par exemple des diffuseurs en matériaux composites microporeux, à membrane (EPDM, silicone, etc., de préférence EPDM), en céramique ou à fente, etc. :
- dans le cas de CO2gazeux, les unités de diffusion 3 peuvent consister en des têtes de micro-bullage pour la diffusion de bulle de différents diamètres,
- dans le cas de CO2dissout dans un milieu aqueux, les unités de diffusion 3 peuvent consister en des buses d’éjection de fluide pour la diffusion du fluide contenant du CO2dissout.
- in the case of gaseous CO2 , the diffusion units 3 may consist of micro-bubbling heads for the diffusion of bubbles of different diameters,
- in the case of CO2 dissolved in an aqueous medium, the diffusion units 3 may consist of fluid ejection nozzles for the diffusion of the fluid containing dissolved CO2 .
Les unités de diffusion 3 peuvent également comprendre un contacteur membranaire. Un contacteur membranaire est un dispositif comprenant au moins deux circuits de circulation de fluides séparés par une membrane de transfert. Les fluides circulants dans ledit contacteur membranaire sont aussi désignés sous le nom de fluide(s) de circulation. Le contacteur membranaire comprend ainsi un premier circuit de circulation d’un premier fluide de circulation pour l’alimentation en dioxyde de carbone (CO2), appelé fluide d’alimentation en CO2 en contact avec une première face de la membrane de transfert, et un deuxième circuit de circulation d’un deuxième fluide de circulation pour la réception du CO2, appelé fluide de réception en CO2, en contact avec la deuxième face de la membrane de transfert. Chaque circuit de circulation de fluide est indépendant l’un de l’autre, et peuvent être fermé ou ouvert. Un tel contacteur membranaire associé à un réacteur est notamment décrit dans la demande internationale PCT/EP2022/087329.The diffusion units 3 may also comprise a membrane contactor. A membrane contactor is a device comprising at least two fluid circulation circuits separated by a transfer membrane. The fluids circulating in said membrane contactor are also referred to as circulation fluid(s). The membrane contactor thus comprises a first circulation circuit for a first circulation fluid for supplying carbon dioxide ( CO2 ), called CO2 supply fluid in contact with a first face of the transfer membrane, and a second circulation circuit for a second circulation fluid for receiving CO2 , called CO2 receiving fluid, in contact with the second face of the transfer membrane. Each fluid circulation circuit is independent of one another, and may be closed or open. Such a membrane contactor associated with a reactor is described in particular in international application PCT/EP2022/087329.
Chaque unité de diffusion 3 est de préférence disposée au voisinage immédiat du fond de la cuve 1. Par ailleurs, chaque unité de diffusion 3 est disposée entre deux dispositifs d’éclairage 2a, 2b adjacents, les différentes unités de diffusion 3 étant agencées de sorte que chaque unité de diffusion 3 est entourée de dispositifs d’éclairage distincts des dispositifs d’éclairage 2a, 2b entourant les autres unités de diffusion 3. En d’autres termes, chaque unité de diffusion 3 est séparée de l’unité de diffusion 3 la plus proche (ou des unités les plus proches) par deux dispositifs d’éclairage 2a, 2b.Each diffusion unit 3 is preferably arranged in the immediate vicinity of the bottom of the tank 1. Furthermore, each diffusion unit 3 is arranged between two adjacent lighting devices 2a, 2b, the different diffusion units 3 being arranged so that each diffusion unit 3 is surrounded by lighting devices distinct from the lighting devices 2a, 2b surrounding the other diffusion units 3. In other words, each diffusion unit 3 is separated from the closest diffusion unit 3 (or closest units) by two lighting devices 2a, 2b.
Les unités de diffusion 3 sont connectées à une unité d’amenée de CO2– tel qu’un surpresseur (dans le cas de CO2gazeux) ou une pompe (de type turbine dans le cas de CO2fluide) – de préférence muni d'un clapet anti-retour afin d'éviter la remontée des boues ou des effluents au niveau de l’unité d’amenée de CO2. Une telle unité d’amenée de CO2est connue de l’homme du métier et ne sera pas décrite plus en détails dans la suite.The diffusion units 3 are connected to a CO 2 supply unit – such as a booster (in the case of gaseous CO 2 ) or a pump (turbine type in the case of fluid CO 2 ) – preferably equipped with a non-return valve in order to prevent the sludge or effluents from rising to the CO 2 supply unit. Such a CO 2 supply unit is known to those skilled in the art and will not be described in more detail below.
44 .. Système de maintenanceMaintenance system
Le caractère flexible du (ou des) dispositif(s) d’éclairage contenu(s) dans la cuve permet également de faciliter la maintenance du bioréacteur selon l’invention.The flexible nature of the lighting device(s) contained in the tank also makes it easier to maintain the bioreactor according to the invention.
En référence à la
- une grue montée sur un châssis fixe ou mobile, et
- un outil de préhension 100 (crochet, grappin, ou analogue) monté à l’extrémité libre de la grue,
- une pluralité de rouleaux de guidage 101, 102 pour le déplacement par roulement de chaque dispositif d’éclairage 2.
- a crane mounted on a fixed or mobile chassis, and
- a gripping tool 100 (hook, grapple, or the like) mounted at the free end of the crane,
- a plurality of guide rollers 101, 102 for rolling movement of each lighting device 2.
Chaque dispositif d’éclairage 2 comprend un élément de saisie (telle qu’une cavité) destiné à coopérer avec l’outil de préhension 100 du système de maintenance. Le principe de fonctionnement du système de maintenance est le suivant.Each lighting device 2 comprises a gripping element (such as a cavity) intended to cooperate with the gripping tool 100 of the maintenance system. The operating principle of the maintenance system is as follows.
Dans une première étape, l’outil de préhension 100 est fixé à l’élément de saisie du dispositif d’éclairage 2. Une fois fixé, l’outil de préhension 100 est déplacé dans une direction verticale vers l’extérieur de la cuve 1.In a first step, the gripping tool 100 is attached to the gripping element of the lighting device 2. Once attached, the gripping tool 100 is moved in a vertical direction towards the outside of the tank 1.
Dans une deuxième étape, l’outil de préhension 100 est déplacé horizontalement entre un rouleau inférieur 101 et un rouleau supérieur 103 de la pluralité de rouleaux de guidage 101, 102 disposés au-dessus de la cuve 1. Le dispositif d’éclairage 2 se courbe à 90°. Une partie supérieure du dispositif d’éclairage 2 (située entre le rouleau inférieur 101 et un bord supérieur du dispositif d’éclairage 2) se déplace alors dans une direction horizontale, tandis qu’une partie inférieure (située entre le rouleau inférieur 101 et un bord inférieur du dispositif d’éclairage 2) se déplace verticalement vers le haut.In a second step, the gripping tool 100 is moved horizontally between a lower roller 101 and an upper roller 103 of the plurality of guide rollers 101, 102 arranged above the tank 1. The lighting device 2 bends 90°. An upper portion of the lighting device 2 (located between the lower roller 101 and an upper edge of the lighting device 2) then moves in a horizontal direction, while a lower portion (located between the lower roller 101 and a lower edge of the lighting device 2) moves vertically upwards.
Dans une troisième étape, lorsque la totalité du dispositif d’éclairage 2 s’étend horizontalement entre la pluralité de rouleaux de guidage 101, 102, l’outil de préhension 100 est immobilisé.In a third step, when the entire lighting device 2 extends horizontally between the plurality of guide rollers 101, 102, the gripping tool 100 is immobilized.
Ainsi, le caractère flexible du (ou des) dispositif(s) d’éclairage 2 permet de réduire la hauteur nécessaire pour extraire ledit (ou lesdits) dispositif(s) d’éclairage 2 de la cuve 1 pour la mise en œuvre d’une opération de maintenance.Thus, the flexible nature of the lighting device(s) 2 makes it possible to reduce the height required to extract said lighting device(s) 2 from the tank 1 for the implementation of a maintenance operation.
55 .. Caractéristiques du photo-bioréacteurCharacteristics of the photo-bioreactor
On va maintenant décrire différents aspects relatifs à un dimensionnement du bioréacteur permettant l’utilisation optimale du flux lumineux issu des dispositifs d’éclairage.We will now describe different aspects relating to the sizing of the bioreactor allowing optimal use of the luminous flux from the lighting devices.
55 .1..1. Modèle de captation de photonsPhoton capture model
Pour comprendre si le flux de photons issu des dispositifs d’éclairage est utilisé de manière optimale par la masse à traiter, on propose d’employer un modèle sur la captation de photons par des microalgues en fonction d’une surface d’émission et d’une géométrie du réacteur.To understand whether the photon flux from the lighting devices is optimally used by the mass to be treated, we propose to use a model on the capture of photons by microalgae as a function of an emission surface and a geometry of the reactor.
La représentation suivante montre les paramètres modulables pour déduire des productivités dans un photo-bioréacteur. Ici il sera préférable de réduire au maximum la fraction non éclairée du réacteur et d’augmenter la surface recevant le flux de photons.The following representation shows the adjustable parameters to deduce productivities in a photo-bioreactor. Here it will be preferable to reduce as much as possible the unlit fraction of the reactor and to increase the surface receiving the photon flux.
Le modèle global du rendement surfacique d’un photo-bioréacteur est le suivant :The overall model of the surface efficiency of a photo-bioreactor is as follows:
Où :
- fdest la fraction volumique non éclairée par conception du réacteur (fd = 0 si toute la surface du réacteur est éclairée),
- ρMest le rendement énergétique maximum de conversion de l’énergie lumineuse en énergie physico-chimique,
- φ est le rendement quantique molaire de la photosynthèse,
- α est le module de diffusion linéaire,
- alightest la surface spécifique éclairée du réacteur sur volume,
- K correspond à une constante de demi-saturation de la photosynthèse (dépend du micro-organisme),
- ň correspond au degré de collimation moyen du rayonnement incident,
- qnest la densité de flux moyenne de photon sur la surface du bioréacteur.
- f d is the design unilluminated volume fraction of the reactor (fd = 0 if the entire surface of the reactor is illuminated),
- ρ M is the maximum energy efficiency of converting light energy into physicochemical energy,
- φ is the molar quantum yield of photosynthesis,
- α is the linear diffusion modulus,
- a light is the illuminated specific surface area of the reactor over volume,
- K corresponds to a half-saturation constant of photosynthesis (depends on the microorganism),
- ň corresponds to the average degree of collimation of the incident radiation,
- q n is the average photon flux density on the bioreactor surface.
Les performances maximales d’un photo-bioréacteur peuvent être caractérisées par quelques simplifications des constantes dans un cas idéal.The maximum performance of a photobioreactor can be characterized by some simplifications of the constants in an ideal case.
Par conséquent la production dépendra des éléments suivants :
- La fraction sombre« S x », qui correspond au ratio volumique non éclairé (fd=0) : Sx = (1-fd)ln(1+q/K) en kg/m²/J
- Où q est la densité de flux moyenne de photon sur la surface du bioréacteur (s’exprime en µmolphotons/s/m2), et où K est la constante de demi-saturation de la photosynthèse (30000 µmol/kgx/s),
- La production surfacique« P x »dû à la captation du flux de photons surfacique capté : Px = Sx * aLumièreen kg/m3/J avec facteur correctif de 20%
- La production volumique en fonction du flux de photons surfacique capté rapporté au volume total : aLumière= SLumière/Vr, où Vrest le volume du bioréacteur.
- The dark fraction “S x ” , which corresponds to the unlit volume ratio (fd=0): Sx = (1-fd)ln(1+q/K) in kg/m²/J
- Where q is the average photon flux density on the bioreactor surface (expressed in µmolphotons/s/m 2 ) , and where K is the half-saturation constant of photosynthesis (30000 µmol/kgx/s),
- Surface production “P x ” due to the capture of the surface photon flux captured: Px = Sx * a Light in kg/m 3 /J with correction factor of 20%
- Volumetric production as a function of the surface photon flux captured relative to the total volume: a Light = S Light /V r , where V r is the volume of the bioreactor .
En appliquant les règles de calculent précédentes pour :
- une plaque d’acrylique de 0.1m de large et 0.1m de long
- une lumière incidente de 350µmol/m2/s,
- un volume total de réacteur de 0.008 m3,
- aucune zone d’ombre (fd=0),
- alors la productivité volumique théorique maximale est estimé à 139 mg/L/J, comme illustré par le tableau ci-dessous.
- an acrylic plate 0.1m wide and 0.1m long
- incident light of 350µmol/m2/s,
- a total reactor volume of 0.008 m3 ,
- no shadow area (fd=0),
- then the maximum theoretical volumetric productivity is estimated at 139 mg/L/J, as illustrated by the table below.
Ceci est confirmé lors d’une expérience en utilisant le bioréacteur illustré à la
Une production moyenne de 172 mg/L/J sur 55 heures (minimum : 100 mg/L/J, maximum : 230 mg/L/J) est obtenue, comme illustré sur la
L’ajout d’air avec 2% de CO2assure le brassage et apporte du carbone.Adding air with 2% CO2 ensures mixing and provides carbon.
55 .. 2.2. Détermination de la quantité de dispositifs d’éclairage optimaleDetermining the optimal amount of lighting devices
L’objectif est de déterminer la superficie optimale de diffusion du flux lumineux pour le réacteur. Bien entendu, le nombre et la disposition des dispositifs d’éclairage peut varier en fonction de la quantité de biomasse que l’on souhaite produire.The aim is to determine the optimum area for diffusion of the luminous flux for the reactor. Of course, the number and arrangement of lighting devices can vary depending on the quantity of biomass that one wishes to produce.
Pour produire 711 mg/L/J de biomasse par m3de culture dans un volume de 1 m3, en appliquant les formules de la modélisation globale décrite ci-dessus, 24 m² de dispositifs d’éclairage émettant 750 µmol/m²/s sont nécessaires.To produce 711 mg/L/J of biomass per m3 of culture in a volume of 1 m3 , by applying the formulas of the global modeling described above, 24 m² of lighting devices emitting 750 µmol/m²/s are necessary.
Ce nombre est directement lié au rendement, volume, géométrie et intensité lumineuse souhaités.This number is directly related to the desired output, volume, geometry and light intensity.
On obtient le tableau suivant :We obtain the following table:
55 .3..3. Détermination d’une quantité maximale de biomasse à ne pas dépasserDetermination of a maximum quantity of biomass not to be exceeded
L’objectif est de déterminer la concentration maximum de biomasse à ne pas dépasser afin de ne pas avoir de zone sombre dans le milieu (i.e. maintenir un fd=0),The objective is to determine the maximum concentration of biomass not to be exceeded in order to avoid having a dark zone in the environment (i.e. maintain an f d = 0),
Dans la suite, on considère un bioréacteur ayant une cuve présentant les dimensions suivantes : 1 mètre x 1 mètre x 1 mètre (L*l*H en mètres). Le volume de la cuve est donc de 1 m3 In the following, we consider a bioreactor with a tank with the following dimensions: 1 meter x 1 meter x 1 meter (L*W*H in meters). The volume of the tank is therefore 1 m3
On suppose également que chaque dispositif d’éclairage a des dimensions de 1 mètre par côté et émet sur ses deux faces. La surface émettrice de chaque dispositif d’éclairage est donc de 2 m².It is also assumed that each lighting device has dimensions of 1 meter per side and emits on both sides. The emitting surface of each lighting device is therefore 2 m².
L’espacement entre les différents dispositifs d’éclairage est alors donné par la formule suivante :The spacing between the different lighting devices is then given by the following formula:
D = (L – Etot) / (½ x NbPlaques) = (1 - 0.06)/ (½ x 12), et dlibre= D - épaisseur d’un dispositif d’éclairageD = (L – E tot ) / (½ x Nb Plates ) = (1 - 0.06)/ (½ x 12), and d free = D - thickness of a lighting device
Avec :
- L : Largeur d’un dispositif d’éclairage ;
- Etot: Epaisseur totale ;
- Nb : nombre de dispositifs d’éclairage ;
- D : Distance entre deux dispositifs d’éclairage,
- d : espace libre en deux dispositifs d’éclairage.
- L: Width of a lighting device;
- E tot : Total thickness;
- Nb: number of lighting devices;
- D: Distance between two lighting devices,
- d: free space in two lighting devices.
0.156
Dans le cas où les dispositifs d’éclairage ont des dimensions de 1*1 mètre, il faut douze dispositifs d’éclairage dans le bioréacteur.In case the lighting devices have dimensions of 1*1 meter, twelve lighting devices are required in the bioreactor.
En les disposants en sandwich, l’épaisseur totale des dispositifs d’éclairage mesure 0,06 mètres.Arranging them in a sandwich, the total thickness of the lighting devices measures 0.06 meters.
Les dispositifs d’éclairage sont placés tous les 0,156 m dans le milieu et avec un espace libre de 0,145 m.The lighting devices are placed every 0.156 m in the middle and with a free space of 0.145 m.
Il faut déterminer la concentration maximum qu’il ne faut pas dépasser afin de ne pas avoir de zone sombre dans le milieu de culture et de maintenir un fd=0 soit un flux de photons suffisant jusqu’à la zone mitoyenne.It is necessary to determine the maximum concentration that must not be exceeded in order to avoid having a dark zone in the culture medium and to maintain an f d = 0, i.e. a sufficient photon flux up to the adjacent zone.
Idéalement il ne faudra pas dépasser une concentration de 0.3 g/L/J, comme illustré sur la
L’intensité lumineuse en fonction de la distance Z peut s’exprimer à partir de la formule suivante : I(z)=I0∙e-ka∙B∙z The luminous intensity as a function of the distance Z can be expressed from the following formula: I(z)=I 0 ∙e -ka∙B∙z
Où :
- I0correspond à la lumière incidente,
- Kaest un coefficient d’absorption,
- B correspond à la concentration en biomasse,
- Z correspond à la longueur de la cuve.
- I 0 corresponds to the incident light,
- K a is an absorption coefficient,
- B corresponds to the biomass concentration,
- Z corresponds to the length of the tank.
Si l’on considère qu’à partir de 50 µmol/m²/s, la quantité de lumière est insuffisante pour avoir des rendements suffisants, il est possible de déterminer la concentration maximale à ne pas dépasser.If we consider that from 50 µmol/m²/s, the quantity of light is insufficient to have sufficient yields, it is possible to determine the maximum concentration not to be exceeded.
Ici avec 0.03 mètres (dus aux dispositifs d’éclairage placés en sandwich) la concentration maximale à ne pas franchir est de 1.5 g/L.Here with 0.03 meters (due to the lighting devices placed in sandwich) the maximum concentration not to be exceeded is 1.5 g/L.
55 .4..4. Homogénéité de la lumièreHomogeneity of light
L’homogénéité de la lumière issue d’un dispositif d’éclairage incluant une OLED est supérieure ou égale à 99%, assurant un meilleur rendement qu’un dispositif d’éclairage incluant une LED.The homogeneity of light from a lighting device including an OLED is greater than or equal to 99%, ensuring better performance than a lighting device including an LED.
Une plaque de pmma dotées de prismes à une capacité de diffusion de 70% à 90% en fonction de l’épaisseur et de la quantité de LEDs placées sur les côtés.A PMMA plate with prisms has a diffusion capacity of 70% to 90% depending on the thickness and the quantity of LEDs placed on the sides.
La quantité d’énergie à envoyer à la surface est donc moindre dans le cas d’un dispositif d’éclairage incluant une OLED.The amount of energy to be sent to the surface is therefore less in the case of a lighting device including an OLED.
Pour un rendement en biomasse par unité de volume équivalent, il faudra injecter entre 10 et 30% plus d’énergie électrique dans le cas d’un dispositif d’éclairage incluant une LED.For an equivalent biomass yield per unit volume, it will be necessary to inject between 10 and 30% more electrical energy in the case of a lighting device including an LED.
55 .5..5. Volume utile du bioréacteurUseful volume of the bioreactor
Le volume utile du bioréacteur est plus important (avantage économique) avec un dispositif d’éclairage incluant un dispositif d’éclairage flexible.The useful volume of the bioreactor is larger (economic advantage) with a lighting device including a flexible lighting device.
Cette utilisation de dispositif d’éclairage flexible permet d’optimiser le volume utile du réacteur de deux à seize fois, étant donné que :
- l’épaisseur d’une plaque de pmma ou de polycarbonate peut mesurer 0.01 m et 0.08 m, et que
- l’épaisseur d’un dispositif d’éclairage flexible de 0.005 m.
- the thickness of a pmma or polycarbonate plate can measure 0.01 m and 0.08 m, and that
- the thickness of a flexible lighting device of 0.005 m.
55 .6. Angle incident.6. Incident angle
L’homogénéité de la lumière par l’angle incident des couches d’OLEDS de 178° en opposition à des LEDs de 120°.The homogeneity of light by the incident angle of the OLED layers of 178° in opposition to LEDs of 120°.
Cela assure une meilleure homogénéité de la lumière dans le bioréacteur.This ensures better homogeneity of light in the bioreactor.
On préféra utiliser une OLED ayant un angle le plus large possible : supérieur à 120°.We preferred to use an OLED with the widest possible angle: greater than 120°.
En effet il est difficile d’obtenir un angle supérieur à 120° avec des LEDs. Cela réduit d’autant le volume de culture optimisé pour la culture de microalgue.Indeed, it is difficult to obtain an angle greater than 120° with LEDs. This reduces the volume of culture optimized for microalgae culture.
Cet angle permet une amélioration de la couverture du volume éclairé de 20% par rapport à une plaque LED classique avec une puissance de 700 µE et 0.1 g/L de concentration algale.This angle allows an improvement in the coverage of the illuminated volume of 20% compared to a classic LED plate with a power of 700 µE and 0.1 g/L of algal concentration.
Le volume éclairé est donc défini par la formule suivante : Volume éclairé = ((παr²)/360°) *L*nCotés)+(L*l*h)*n faces en m3.The illuminated volume is therefore defined by the following formula: Illuminated volume = ((παr²)/360°) *L*n Sides )+(L*l*h)*n faces in m3 .
Le tableau ci-dessous propose une comparaison des volumes éclairés avec une diode de type LED classique et diode de type OLED.The table below provides a comparison of the volumes illuminated with a classic LED type diode and an OLED type diode.
55 .7..7. Possibilité de faire varier la distance entre les dispositifs d’éclairage en fonction du flux de lumière en continue ou flashPossibility to vary the distance between the lighting devices depending on the light flow in continuous or flash mode
On va maintenant décrire différents aspects relatifs à un dimensionnement du bioréacteur en considérant un apport de lumière discontinu, c’est-à-dire en considérant que chaque dispositif d’éclairage génère un rayonnement lumineux discontinu composé d’une alternance rapprochée de phases obscures et de phases éclairées (flashs), par exemple à une fréquence comprise entre 10 et 50 kHz.We will now describe different aspects relating to the dimensioning of the bioreactor considering a discontinuous supply of light, that is to say considering that each lighting device generates discontinuous light radiation composed of a close alternation of dark phases and illuminated phases (flashes), for example at a frequency between 10 and 50 kHz.
Soit un système doté d’une intensité moyenne en continue de 1000 µmol.m- 2.s-1au niveau des dispositifs d’éclairage.Consider a system with a continuous average intensity of 1000 µmol.m - 2 .s -1 at the lighting devices.
Lorsque cette intensité moyenne en continue est ensuite paramétré en flash tout en maintenant une irradiance moyenne de 1000 µmol.m- 2.s-1il est alors possible d’obtenir des vagues de flash de 10000 µmol.m-2.s-1.When this continuous average intensity is then set to flash while maintaining an average irradiance of 1000 µmol.m - 2 .s -1 it is then possible to obtain flash waves of 10000 µmol.m - 2 .s - 1 .
A titre indicatif, la
- le temps de cycle est donné par la formule suivante : tcycle = tlight + tdark (s) / ou la fréquence (Hz)
- la fraction lumineuse est donnée par la formule suivante : φ : (tlight / (tlight + tdark ))
- l’irradiance intégrée est donnée par la formule suivante : Im= If· φ
- the cycle time is given by the following formula: tcycle = tlight + tdark (s) / or the frequency (Hz)
- the light fraction is given by the following formula: φ : (tlight / (tlight + tdark ))
- the integrated irradiance is given by the following formula: I m = I f · φ
Avec :
- φ = 10% ;
- Im= 1000 µmol.m- 2.s-1,
- Im= If· φ µmol.m- 2.s-1,
- If= 10000 µmol.m- 2.s-1.
- φ = 10% ;
- I m = 1000 µmol.m - 2 .s -1 ,
- I m = I f · φ µmol.m - 2 .s -1 ,
- If= 10000 µmol.m- 2.s-1.
Cette vague de photons permet d’augmenter la distance d’entrée des photons dans le milieu et donc d’augmenter la distance entre les dispositifs d’éclairage avec une concentration en biomasse identique.This wave of photons makes it possible to increase the distance of entry of the photons into the medium and therefore to increase the distance between the lighting devices with an identical biomass concentration.
En effet, comme illustré à la
En référence à la
66 .. ConclusionsConclusions
La solution décrite précédemment présente de nombreux avantages :
- l’hydraulique du photo-bioréacteur via des dispositifs d’éclairage flexibles est améliorée, notamment grâce à une optimisation du flux de circulation du milieu de culture dans certaines zones du photo-bioréacteur,
- la maintenance du photo-bioréacteur est facilitée grâce à la flexibilité des dispositifs d’éclairage,
- le volume utile du photo-bioréacteur est plus important (avantage économique) en comparaison aux solutions d’éclairage existantes,
- la flexibilité des dispositifs d’éclairage à OLED permet également d’apporter plus de lumière dans des zones mortes du photo-bioréacteur,
- l’utilisation d’une plaque et d’une couche de revêtement externe en verres minces permet
- de diminuer l’effet de collage (« fouling ») des microalgues sur les dispositifs d’éclairage,
- une meilleure insulation des composants électroniques entre eux, limitant les risques électriques,
- une meilleure transmittance optique,
- une meilleure stabilité chimique,
- une meilleure barrière aux gaz injectés dans le photo-bioréacteur,
- un meilleur échange des calories générées par les diodes lumineuses des dispositifs d’éclairage,
- the hydraulics of the photo-bioreactor via flexible lighting devices is improved, in particular thanks to an optimization of the circulation flow of the culture medium in certain areas of the photo-bioreactor,
- photobioreactor maintenance is made easier thanks to the flexibility of the lighting devices,
- the useful volume of the photo-bioreactor is larger (economic advantage) compared to existing lighting solutions,
- The flexibility of OLED lighting devices also allows more light to be brought into dead zones of the photobioreactor,
- the use of a plate and an external coating layer made of thin glass allows
- to reduce the fouling effect of microalgae on lighting devices,
- better insulation of electronic components between them, limiting electrical risks,
- better optical transmittance,
- better chemical stability,
- a better barrier to gases injected into the photo-bioreactor,
- better exchange of calories generated by the light diodes of lighting devices,
Le lecteur aura compris que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l’invention décrite précédemment sans sortir matériellement des nouveaux enseignements et des avantages décrits ici.The reader will have understood that numerous modifications can be made to the invention described above without materially departing from the new teachings and advantages described here.
Claims (17)
- une cuve (1) destinée à contenir une masse à traiter, la cuve (1) comprenant une paroi inférieure formant fond, une paroi supérieure opposée à la paroi inférieure, et au moins une paroi latérale entre les parois inférieure et supérieure,
- un ensemble de dispositifs d’éclairage flexibles contenu dans la cuve et destiné à favoriser le traitement de la masse,
- au moins un module d’alimentation en énergie électrique connecté à chaque dispositif d’éclairage,
- un cadre périphérique composé :
- de deux bordures longitudinales flexibles, et
- de deux bordures transversales,
- une nappe (52) centrale flexible sur les bords de laquelle est monté le cadre périphérique, la nappe (52) centrale flexible incluant :
- au moins une plaque flexible (21),
- une couche de revêtement flexible (23) transparente au rayonnement lumineux, ladite couche de revêtement s’étendant sur la plaque flexible,
- un groupe de diodes lumineuses (22, 22a, 22b, 22c) s’étendant entre la plaque flexible et la couche de revêtement flexible, lesdites diodes lumineuses étant orientées de sorte à générer le rayonnement lumineux dans une direction opposée à la plaque flexible.
- a tank (1) intended to contain a mass to be treated, the tank (1) comprising a lower wall forming a bottom, an upper wall opposite the lower wall, and at least one side wall between the lower and upper walls,
- a set of flexible lighting devices contained in the tank and intended to promote the treatment of the mass,
- at least one electrical power supply module connected to each lighting device,
- a peripheral frame composed of:
- of two flexible longitudinal edges, and
- of two transverse borders,
- a flexible central sheet (52) on the edges of which the peripheral frame is mounted, the flexible central sheet (52) including:
- at least one flexible plate (21),
- a flexible coating layer (23) transparent to light radiation, said coating layer extending over the flexible plate,
- a group of light emitting diodes (22, 22a, 22b, 22c) extending between the flexible plate and the flexible covering layer, said light emitting diodes being oriented so as to generate the light radiation in a direction opposite to the flexible plate.
- contrôler l’activation continue dudit et au moins un module d’alimentation en énergie électrique de sorte que ledit et au moins un dispositif d’éclairage (2a, 2b) génère un rayonnement lumineux continu,
- contrôler l’activation discontinue dudit et au moins un module d’alimentation en énergie électrique de sorte que ledit et au moins un dispositif d’éclairage (2a, 2b) génère un rayonnement lumineux discontinu sous forme de flashs composé d’une alternance de phases obscures et de phases éclairées, par exemple à une fréquence comprise entre 10 et 50 kHz.
- controlling the continuous activation of said and at least one electrical energy supply module so that said and at least one lighting device (2a, 2b) generates continuous light radiation,
- controlling the discontinuous activation of said and at least one electrical energy supply module so that said and at least one lighting device (2a, 2b) generates discontinuous light radiation in the form of flashes composed of an alternation of dark phases and illuminated phases, for example at a frequency of between 10 and 50 kHz.
- au moins une diode lumineuse à émission ultraviolet (22b), et/ou
- au moins une diode lumineuse phosphorescente (22c).
- at least one ultraviolet emitting light diode (22b), and/or
- at least one phosphorescent light diode (22c).
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- 2023-01-25 FR FR2300676A patent/FR3145166A1/en active Pending
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