WO2011101469A1 - Procédé d'épuration de gaz comprenant du co2 et dispositif correspondant - Google Patents

Procédé d'épuration de gaz comprenant du co2 et dispositif correspondant Download PDF

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gas
nutrients
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Christophe Boonaert
Sébastien MALCHAIRE
Louis Masset
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AGC Glass Europe SA
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CARMEUSE GROUP
AGC Glass Europe SA
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Definitions

  • the present invention relates to the treatment of gases comprising carbon dioxide, especially combustion gases containing a significant portion of carbon dioxide.
  • the first way has been to use energy sources that do not generate flue gas. These sources, however, are generally more expensive and often only move emissions to upstream industries. This is the case of electrical energy when it is produced in thermal power plants for example.
  • the second way is to have means to limit the release of gas into the atmosphere.
  • Solutions consist in capturing and storing these gases insofar as this solution is industrially possible. This is practiced, for example, on certain sites producing natural gas or oil, or even mines.
  • the gases are, for example, reintroduced into the underground pockets from which the extracted fuels originate.
  • the removal of gases such as carbon dioxide can also be the subject of treatments that lead to fixing this gas in a chemical form without impacting the environment, for example in the form of calcium carbonate.
  • the products of this transformation are not of significant value. The overall cost is therefore relatively large.
  • the traditional scheme of algae culture is then the following: water enriched with nutrients is introduced into the photobioreactor.
  • C0 2 is introduced into the photobioreactor and the photobioreactor receives a light radiation, which provides the energy required for the reaction.
  • C0 2 comes either from atmospheric air or from gases rich in C0 2 (pure C0 2 , flue gas, synthetic air, etc.).
  • gases rich in C0 2 the injection of these gases is carried out in a compressed form. Indeed, this compression is necessary to overcome the back pressure of the culture water, but it represents an energy cost of the order of 10% or more of the energy produced by the algal biomass.
  • patent application No. US2008178739A1 proposes a solution according to which the algae are grown in a horizontal plane surmounted by a synthetic atmosphere enriched in C0 2 .
  • this solution has two disadvantages.
  • the temperature of the gases must be limited to avoid destroying the algae culture by heating the water beyond a critical value, which depends on the strain used.
  • the gas / water contact surface must be sufficiently large to allow a good diffusion of C0 2 in the water. This last characteristic constitutes the major disadvantage of such a device. 3. Objectives of the invention
  • the invention particularly aims to overcome these disadvantages of the prior art.
  • phototrophic we mean thereafter any organism capable of photosynthesis.
  • Another object of the invention in at least one of its embodiments, is to implement such a method for performing this C0 2 injection without gas compression.
  • Another objective of the invention in at least one of its embodiments, is to implement such a method according to which the amount of CO 2 injected into the photobioreactor can be controlled independently of the amount of CO 2 present in the gas.
  • Another object of the invention in at least one of its embodiments, is to implement such a technique that allows to obtain a better purification performance and this for a lower cost than conventional solutions.
  • the invention relates to a gas purification process comprising C0 2 using phototrophic organisms, comprising the following steps:
  • steps (b) and (c) can be implemented in any order, they can be implemented simultaneously or be implemented in parallel.
  • the portion of the water used in step (b) and the portion of the water used in step (c) may be distinct, or totally or partially merged.
  • photobioreactor any type of container or lagoon, whether closed or open (a closed lagoon may be, for example, a lagoon covered with a greenhouse), which allows the cultivation of phototrophic organisms.
  • the general principle of the invention is based on the introduction into the photobioreactor of an aqueous solution of CO 2 obtained from the gas comprising CO 2 , and not on the direct introduction of the gas into the photobioreactor.
  • it is not necessary to perform a gas compression, which allows substantial savings in energy.
  • the uptake of C0 2 from the gas comprising C0 2 , carried out during step (b), is decoupled from the injection of the solution obtained into the culture medium during the step ( d).
  • the expression "culture medium” designates the overall aqueous solution contained in the photobioreactor (comprising at least a portion of the aqueous nutrient solution and at least a portion of the aqueous CO 2 solution) as well as the phototrophic organisms contained in the photobioreactor.
  • the invention is based on an approach quite new and inventive capture C0 2 and C0 2 contribution to fixing by phototrophic organisms.
  • the process may comprise a step of regulating the CO 2 content in the overall aqueous solution contained in the photobioreactor: the CO 2 concentration in the photobioreactor can be adjusted independently of the production of the gas comprising CO 2 .
  • the CO 2 concentration in the photobioreactor can be adjusted independently of the production of the gas comprising CO 2 .
  • the above-mentioned regulation step comprises a step of temporarily storing at least a portion of the aqueous C0 2 solution. Since the injection of C0 2 into the culture medium can be decoupled from its uptake from the gas comprising C0 2 , the instantaneous flow rate of C0 2 injected into the photobioreactor can be controlled independently of the C0 2 flow rate present in the gas comprising the C0 2 .
  • the invention allows continuous gas treatment, even if the supply of CO 2 to the culture medium is not continuous.
  • the gas comprising C0 2 can come from industrial processes.
  • the invention may also relate to lime kilns or glass furnaces, and in particular to oxy-combustion furnaces.
  • the water contained in the photobioreactor is recycled in order to generate at least a portion of said water source.
  • the amount of water needed is minimal.
  • each of steps (b) and (c) can be divided into a sequence of substeps, said substeps of steps (b) and (c) being interposed.
  • step (d) comprises the following steps:
  • the nutrient composition of the culture medium can be adjusted independently of its content of CO 2 , the aqueous nutrient solution and the aqueous solution of CO 2 being all the same prepared simultaneously.
  • This preparation in parallel followed by a premixing allows a single injection of liquid into the photobioreactor, which can save time and reduce disturbances in the culture medium.
  • the term "phototrophic organisms" may designate by way of examples and in a nonlimiting manner algae, micro-algae, bacteria.
  • the invention also relates to mixtures of one or more species of the aforementioned organisms.
  • the aqueous CO 2 solution comprises CO 2 which can be in three forms: dissolved CO 2 , hydrogencarbonate (hereinafter referred to as HCO 3 - ), carbonate (hereinafter referred to as CO 3 - ).
  • HCO 3 - hydrogencarbonate
  • CO 3 - carbonate
  • the C0 2 provided in the photobioreactor during step (d) is in at least one of these three forms.
  • the invention also relates to a gas purification device comprising C0 2 by means of phototrophic organisms comprising:
  • photobioreactor injection means comprising the phototrophic organisms of at least a portion of the aqueous CO 2 solution and at least a portion of the aqueous solution comprising the nutrients;
  • e means for illuminating the content of the photobioreactor with light radiation.
  • the device comprises means for regulating the CO 2 content in the overall aqueous solution contained in the photobioreactor.
  • the regulating means comprise means for temporarily storing at least a portion of the aqueous C0 2 solution.
  • the gas comprising CO 2 comes from an oxy-combustion furnace.
  • the device comprises means for recycling the water contained in the photobioreactor in order to generate at least a portion of said source of water.
  • the means b) and c) are activated in a determined sequence according to which the activations of the means b) and c) are intercalated.
  • the means d) comprise:
  • the device comprises means for extracting at least a portion of the metabolic oxygen produced by the phototrophic organisms in the photobioreactor.
  • the phototrophic organisms comprise at least one of the following organisms:
  • the means d) comprise means for supplying the photobioreactor C0 2 in dissolved form.
  • Figure 1 shows a synoptic of the traditional process of algae culture
  • FIG. 2 illustrates an embodiment of the process according to the invention in which the preparation of the aqueous nutrient solution (step (c)) is carried out before obtaining the aqueous CO 2 solution (step (b));
  • FIG. 3 illustrates an embodiment of the process according to the invention in which the obtaining of the aqueous solution of CO 2 (step (b)) is carried out before the preparation of the aqueous solution of nutrients (step
  • FIG. 4 illustrates an embodiment of the method according to the invention in which the injection of C0 2 necessary to obtain an aqueous solution of C0 2 (step (b)) and the injection of the nutrients necessary for the production of an aqueous solution of nutrients are performed (step (d)) simultaneously or intercalated in the same portion of water;
  • FIG. 5 illustrates an embodiment of the process according to the invention in which the obtaining of the aqueous CO 2 solution (step (b)) and the preparation of the aqueous nutrient solution (step (c)) are carried out in parallel, and the injection of the aqueous CO 2 solution and the injection of the aqueous nutrient solution into the photobioreactor during step (d) can be simultaneous, successive or intercalated;
  • FIG. 6 illustrates an embodiment of the process according to the invention for obtaining the aqueous CO 2 solution (step (b)) and the preparation of the aqueous nutrient solution (step (c)) are carried out in parallel , and the solutions obtained are premixed so as to obtain a single solution comprising CO 2 and nutrients, which is then injected into the photobioreactor;
  • FIG. 7 gives the variations of concentration of the different forms of CO 2 present in the aqueous solution of CO 2 as a function of the pH
  • Figure 8 shows a block diagram of the claimed process.
  • FIG. 6 Description of at least one embodiment of the invention With Figure 1 is illustrated the traditional scheme of algae culture in photobioreactors. Water 103 enriched with nutrients 104 is introduced into the photobioreactor 105. Furthermore, C0 2 101 is introduced into the photobioreactor 105. In addition, the photobioreactor 105 receives a light radiation 102, which provides the energy required for the photobioreactor 105. reaction. In this system, C0 2 101 is introduced directly into the photobioreactor 105.
  • the general principle of the invention is based on the decoupling of the C0 2 uptake from the gas, absorbed during step (b), of its injection into the culture medium during step (d).
  • This decoupling is illustrated in FIGS. 2 to 6, where it can be seen that, contrary to FIG. 1, the C0 2 201; 301; 401; 501; 601 is not introduced directly into the photobioreactor 205; 305; 405; 505; 605.
  • FIG. 2 shows a purification method according to a first embodiment: nutrients 204 are introduced into a portion of water coming from a water source 203 so as to obtain an aqueous solution comprising nutrients . Then this aqueous nutrient solution is enriched in C0 2 201 from gases comprising CO 2 , and the resulting aqueous solution is introduced into the photobioreactor 205 which comprises phototrophic organisms.
  • CO 2 301 is introduced into a portion of water 303 so as to obtain an aqueous solution of CO 2 . Then this aqueous C0 2 solution is enriched in nutrients 304, and the resulting aqueous solution is introduced into photobioreactor 305 which comprises phototrophic organisms.
  • the passage from FIG. 2 to FIG. 3 is obtained by reversing the steps for obtaining the aqueous CO 2 solution (step (b)) and the step of preparing the aqueous nutrient solution (step (c)). )).
  • FIG. 4 is the limiting case between FIGS. 2 and 3.
  • the nutrients 404 and the CO 2 401 can be introduced simultaneously into the same portion of water 403, then the The resulting aqueous solution is introduced into photobioreactor 405. Steps (b) and (c) are then simultaneous and "fused".
  • the injection rate 409 of the nutrients in the water portion and the C0 2 injection flow rate 408 in the same portion of water can be jerky, so that in fact each of the steps of obtaining the aqueous solution of CO 2 and of preparing the aqueous solution of nutrients are cut into substeps, said substeps thus being "interleaved".
  • the step of obtaining the aqueous CO 2 solution (step (b)) and the step of preparing the aqueous nutrient solution (step (c)) can be performed in parallel.
  • a water reserve 503 for example a tank
  • an aqueous solution comprising nutrients 504 is prepared with a portion of water of the water reserve 503 different from the first portion of water. 'water.
  • Each of the solutions is separately injected into photobioreactor 505 comprising the phototrophic organisms.
  • the injections may be successive (injection 508 of the aqueous solution of CO 2 before injection 509 of the aqueous solution comprising nutrients, or injection 509 of the aqueous solution comprising nutrients before injection 508 of the aqueous solution of C0 2 ), or the injections can be simultaneous (508 and 509 are performed at the same time), or the injections can be interspersed (the arrows 508 and 509 representing jerky flow rates).
  • FIG. 6 can be considered as a special case of the embodiment shown in FIG. 5, in which the aqueous solution of CO 2 601 and the aqueous solution comprising nutrients 604 are prepared in parallel, then mixed and finally injected into the photobioreactor 605 comprising the phototrophic organisms.
  • the content of the photobioreactor is illuminated by a light radiation 202; 302; 402; 502; 602 which provides the energy necessary for the photosynthesis reaction.
  • the products obtained are organic matter called "biomass"206;306;406;506; 606 and oxygen 0 2 207; 307; 407; 507; 607. Biomass and oxygen can be extracted from the culture medium and recovered.
  • the phototrophic organisms can be harvested continuously or by spot samples, for example by traditional methods such as flocculation followed by filtration and drying.
  • the removal of at least a portion of the culture medium and its treatment to recover the biomass may be called "biomass extraction". These samples can lead to water losses which will be preferentially offset by the addition of make-up water.
  • Illumination by light radiation 202; 302; 402; 502; 602 can be provided by a source of natural light, that is to say by the Sun.
  • the lighting can also be artificial, for example with lamps comprising a halogen bulb or a bulb based on light emitting diodes ("LEDs").
  • LEDs light emitting diodes
  • the water source is controlled to ensure that the amount of harmful elements (especially toxic) phototrophic organisms is below a predetermined threshold.
  • harmful elements especially toxic
  • the alga Chlorella vulgaris for example, values derived from "Tolerance of Chlorella vulgaris for metallic and non-metallic ions" by E. Den Dooren De Jong, Antonie van Leeuwenhoek, vol. 31, pp. 301-313 (1965), and repeated in the following table:
  • the water source may be city water, river or canal water, rainwater, demineralized water, or bubbled city water. of air for removing one or more toxic elements for certain strains of phototrophic organisms, such as for example chlorine.
  • a water recycling system as illustrated in FIG. 5.
  • a portion of water 510 can be recovered. After cleaning, this portion of water can be returned to the water reserve 503. Indeed, it can implement to do this a pump 511 connected between the photobioreactor 505 and the water reserve 503.
  • This recycling system saves water. Only the losses of water, due for example to evaporation, or to the extraction of biomass, can then be compensated by providing a portion of water called "make-up water" 512.
  • the CO 2 necessary for photosynthesis is supplied to the culture medium in the form of an aqueous solution of CO 2 .
  • the aqueous solution of CO 2 comprises CO 2 which can be actually three forms:. Dissolved CO 2 (703), hydrogen carbonate HC0 3 "(704), and carbonate C0 3 2 ⁇ (705) the major form is
  • This figure shows the concentration of the different forms of CO 2 that may exist in the aqueous solution of CO 2 as a function of the pH: the abscissa axis 701 gives the values of the pH value (as illustrated in FIG. pH, and the y-axis 702 gives the concentration (in ⁇ / kg) of each form of CO 2 present in the solution.
  • the necessary CO 2 201; 301; 401; 501; 601 can come from industrial gases, such as flue gases from glass furnaces or lime kilns, which emit a lot of CO 2 .
  • Oxy-combustion furnaces which use pure oxygen as the oxidant (rather than just air), produce gases that are particularly rich in CO 2 and depleted of by-products, which makes treatment easier. Indeed, having a concentrated CO 2 can increase the yield of the process according to the invention, and this at least for two reasons:
  • the total flow of gas will be less important. So with CO 2 -rich gases, the volume of gas to be treated will be lower than for gases that are low in CO 2 . This may allow for example to reduce the volume of equipment, including the device for dissolving CO 2 in water.
  • the gases comprising the CO 2 can be cleaned before the step of dissolving C0 2 gas 201; 301; 401; 501; 601 in water 203; 303; 403; 503; 603.
  • the absorber used to capture these gases may consist of two parts that may or may not be separate: a cleaning device and a device for dissolving CO 2 gas in water.
  • the depollution methods traditionally employed in the glass or lime industry may be used: the gases comprising CO 2 may pass through a bag filter, on an electro-filter which makes it possible to remove particles, by example of heavy metals (such as Hg, Cr, Ni, Zn, Pb), then on a DeSOx device (to remove sulfur oxides) and a DeNOx catalyst (to remove nitrogen oxides).
  • the gas comprising CO 2 is no longer in direct contact with the culture medium.
  • the oxygen production by photosynthesis takes place only in this medium. If it is considered that an aqueous solution is injected into the culture medium comprising only pure C0 2 dissolved gas and that it is totally absorbed by the phototrophic organisms (according to equation 1) or that the C0 2 non consumed by the phototrophic organisms remains in solution, then the only gas leaving the photobioreactor will be ⁇ 0 2 metabolic. If the photobioreactor is closed, we can consider recovering this 0 2 metabolic 207; 307; 407; 507; 607.
  • the temperature of the culture medium depends on the species of phototrophic organism used. For Chlorella vulgaris algae for example, it is around 28 ° C. It is then necessary to cool the gas comprising CO 2 . As an indication, the temperature of the gases at the outlet of a glass furnace is of the order of 220 ° C and the temperature of the gases at the outlet of a lime kiln is of the order of 150 ° C.
  • the cold source can be the source of water 500.
  • the heat exchanger can also be the device 513 for dissolving C0 2 gas in the water itself.
  • the heat of the gases comprising CO 2 can be used to heat the culture medium if it is too cold (for example in winter).
  • the dissolution of CO 2 gas 502 in the water explained above can be carried out by means of various devices 513 for dissolving CO 2 gas in water, among which mention may be made of a bubble column, a stirred tank (magnetic by example), a plate column (perforated or cap), a packed column (co- or countercurrent), a Venturi, a spraying column, a film column.
  • various devices 513 for dissolving CO 2 gas in water among which mention may be made of a bubble column, a stirred tank (magnetic by example), a plate column (perforated or cap), a packed column (co- or countercurrent), a Venturi, a spraying column, a film column.
  • an aqueous solution of C0 2 is thus obtained.
  • the photo trophic organisms are never in direct contact with the C0 2 gas.
  • phototrophic organisms are not subject to shocks from gas bubbles and are not stressed.
  • the decoupling of the capture of C0 2 from the gas, carried out during step (b), of its injection into the culture medium during step (d) also makes it possible to carry out a storage of the C0 2 reserve.
  • present in the water in dissolved form for example in a buffer tank 514 (shown in FIG. 5) inserted between the device 513 for dissolving C0 2 gas in water and the photobioreactor 505.
  • the supply of C0 2 in the culture medium can be regulated according to the needs.
  • a pump 515 whose flow rate is adjustable, which makes it possible to adjust the amount of C0 2 in the culture medium.
  • C0 2 It is also possible to dilute the culture medium by adding make-up water 512.
  • the requirements for C0 2 can be estimated by measuring the concentrations of HCO 3 " and CO 3 2" , for example with an automatic titrator of Applikon '(marketed by Metro hm).
  • Another advantage of storing C0 2 in the form of an aqueous solution lies in its routing to photobioreactors 205; 305; 405; 505; 605. It is indeed easier to transport liquids than gases (transport by simple gravity for example), especially since the distance to be traveled is large (especially in the case of a field of about photobioreactors of several hectares). This translates into substantial cost savings.
  • a filtration after the dissolution of CO 2 gas in water decoupled from the injection into the culture medium for example with a filter 516 (placed between the device 513 for dissolving CO 2 gas in water and the photobioreactor 505, or, where appropriate, between the buffer tank 514 and the photobioreactor 505), makes it possible to recover insoluble salts (such as CaCO 3 , MgCO 3 , etc.) and thus prevent their contact with the phototrophic organisms. In a traditional process such as that shown in Figure 1, these salts would have precipitated in the culture medium and mixed with the phototrophic organisms.
  • insoluble salts such as CaCO 3 , MgCO 3 , etc.
  • the supply of nutrients 504 can be controlled. Nitrates are traditionally used as an indicator of the average level of nutrients, this control can be done by means of a measurement of the amount of nitrates in the overall aqueous solution. The additional supply of nutrients can then be achieved using a metering pump 517 placed between the nutrient store 504 and the photobioreactor 505.
  • Chlorella vulgaris Culture tests were carried out with algae of the order Chlorococcales, family: Chlorellaceae, genus: Chlorella, species: vulgaris (hereinafter referred to as "Chlorella vulgaris") in an open photobioreactor in glass size 85 * 5 * 280 cm (ie a volume of 1 19L) made with 12mm thick glass sheets glued, the seal being provided by an O-ring.
  • the photobioreactor is located in a greenhouse and is filled with 112L of nutrient-enriched demineralized water so as to obtain an M8 culture medium whose macro- and micronutrient composition is indicated in the following tables:
  • the temperature of the reactor is ideally maintained around 27.5 ° C (+/- 2.5 ° C), which is the optimum temperature for Chlorella vulgaris, by means of a thermally insulated greenhouse with air conditioning and heat exchanger. internal heat to the photobioreactor.
  • Illumination is provided by natural light (ie in Belgium: 125W / m 2 / year on average by counting the hours of night).
  • the addition of C0 2 to the culture medium is carried out in the form of an aqueous solution containing hydrogen carbonate ions HCO 3 " , in this case for example with an aqueous solution of NaHCO 3 .
  • Such a solution makes it possible to simulate the dissolution of CO 2 gas in water and results in an aqueous solution of CO 2 which can be assimilated to that which would be obtained by the process according to the invention.
  • the step of dissolving CO 2 gas in demineralised water was also carried out with a 513 bullant-pilot device made of glass, 10 cm in diameter and 54 cm in height; its volume of work is 4 L.
  • the tests were conducted with a volume of work of 3 L.
  • a flow of gas of 600 mL / min containing 33% of C0 2 in the air (which can be likened to the composition of gases from an oxy-fuel glass furnace) is introduced by 16 holes 1.5 mm in diameter.
  • the velocity of the gas through a hole is about 0.35 m / s.
  • a mixer with 4 vertical blades rotates at a speed of 12000 rpm to destroy coalescing bubbles and reduce their diameter.
  • the yield of the dissolution, obtained by calculating the ratio [dissolved CO2] / [C0 2 introduced] is of the order of 55%.
  • the concentration of algae stabilizes at 1 g / l.
  • a portion of the culture medium can be sampled (punctually or continuously) and then subjected to a treatment comprising filtration, flocculation and drying steps.
  • the volume of water can be kept constant by the addition of make-up water 512 in the photobioreactor 505 to compensate for the losses due to evaporation and samples of culture medium.
  • this gas passes electro-filters to remove dust and undergo a DeSOx treatment to remove sulfur oxides (for example by adding CaCO 3 in an aqueous medium, depending on the reaction: CaCO 3 + SO 2 ⁇ CaSO 3 + CO 2 ), and the resulting gas passes over a DeNOx catalyst to remove the nitrogen oxides (for example by injecting NH 3 in the form of NH 4 OH on a ceramic honeycomb matrix which catalyzes the oxidation degradation reaction. of nitrogen in H 2 0, 0 2 and N 2 .
  • a DeSOx treatment for example by adding CaCO 3 in an aqueous medium, depending on the reaction: CaCO 3 + SO 2 ⁇ CaSO 3 + CO 2
  • a DeNOx catalyst to remove the nitrogen oxides (for example by injecting NH 3 in the form of NH 4 OH on a ceramic honeycomb matrix which catalyzes the oxidation degradation reaction. of nitrogen in H 2 0, 0 2 and N 2 .
  • the gas purification process comprising CO 2 makes it possible to reject 50% less CO 2 in the atmosphere than by the conventional method.
  • a gas purification process comprising C0 2 is described using phototrophic organisms.
  • This method comprises a step 801 for supplying water from a water source; a step 802 of collecting and washing the gas in an absorber comprising at least a portion of the water so as to obtain an aqueous solution of CO 2 ; a step 803 of preparing, from at least a portion of the water, an aqueous solution comprising nutrients; a photobioreactor injection step 804 comprising the phototrophic organisms of at least a portion of the aqueous CO 2 solution and at least a portion of the aqueous solution comprising the nutrients; a step 805 for illuminating the contents of the photobioreactor with light radiation.
  • the invention is not limited to the embodiments mentioned above.
  • the skilled person may provide any variant in the choice of the species of algae or micro-algae or more generally phototrophic organism.
  • Chlorella vulgaris mentioned here, it is possible, for example and without limitation, to use Chlorella sorokiniana, Dunaliella tertiolecta, Dunaliella salina or Haematococcus pluvialis. A mixture of several species can also be used.
  • the phototrophic organism may also be a bacterium, such as for example a cyanobacterium, such as Spirulina platensis.
  • the invention applies of course, also to closed reactors, and lagoons (open or closed).
  • the invention is not limited to a batch culture and also applies to a continuous culture.
  • the invention does not apply solely to the treatment of flue gases from glass or lime furnaces, but also to any type of gas or fumes comprising C0 2 , such as air combustion gases or fumes, for example industrial.

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'épuration de gaz comprenant du CO2 au moyen d'organismes phototrophes, et le dispositif correspondant. Selon l'invention, un tel procédé comprend les étapes suivantes : a) apport (801) d'eau provenant d'une source d'eau; b) captation et lavage (802) du gaz dans un absorbeur comprenant au moins une portion de l'eau de manière à obtenir une solution aqueuse de CO2; c) à partir d'au moins une portion de l'eau, préparation (803) d'une solution aqueuse comprenant des nutriments; d) injection (804) dans un photobioréacteur comprenant les organismes phototrophes d'au moins une portion de la solution aqueuse de CO2 et d'au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments; e) illumination (805) du contenu du photobioréacteur par un rayonnement lumineux; les étapes (b) et (c) pouvant être interverties ou simultanées.

Description

Procédé d'épuration de gaz comprenant du C02 et dispositif correspondant
1. Domaine de l'invention
La présente invention concerne le traitement de gaz comprenant du dioxyde de carbone, notamment les gaz de combustion renfermant une part significative de dioxyde de carbone.
2. Solutions de l'art antérieur
Les réglementations qui visent à limiter les émissions de gaz notamment à effet de serre se multiplient. Les réglementations en question sont le plus souvent assorties de pénalités pour ceux qui ne se conforment pas aux exigences formulées. De façon significative les exigences sont de plus en plus contraignantes. Les industries notamment qui constituent une source importante d' émission de ces gaz sont conduites à trouver des solutions permettant d'atteindre les conditions satisfaisant à ces réglementations.
Par nature certaines industries qui consomment de grandes quantités d'énergies fossiles, produisent également de grandes quantités de gaz de combustion contenant ces gaz dont l'émission est réglementée. Toutes les industries dans les productions desquelles la mise en œuvre de fusion calcination, traitement thermique de toute nature sont concernées. Parmi celles-ci les centrales thermiques, la sidérurgie, les productions de verre, le raffinage des produits pétroliers, les cimenteries, les productions de chaux...
A l'heure actuelle la recherche s'est portée principalement sur les techniques permettant de réduire les émissions de gaz, et ce de deux manières : en limitant la consommation des combustibles fossiles d'une part, et en capturant et/ou stockant les gaz émis d'autre part.
La première voie (limiter la consommation) s'est portée vers l'utilisation de sources d'énergie n'engendrant pas de gaz de combustion. Ces sources sont cependant généralement plus coûteuses et ne font souvent que déplacer les émissions vers des industries situées en amont. C 'est le cas de l'énergie électrique lorsque celle-ci est produite dans des centrales thermiques par exemple.
La seconde voie consiste, elle, à disposer de moyens permettant de limiter le rejet de gaz dans l'atmosphère. Des solutions consistent à capturer et stocker ces gaz dans la mesure où cette solution est industriellement possible. Ceci est pratiqué par exemple sur certains sites de production de gaz naturel ou de pétrole, ou même de mines. Les gaz sont par exemple réintroduits dans les poches souterraines dont proviennent les combustibles extraits. La suppression des gaz comme le dioxyde de carbone peut aussi faire l'objet de traitements qui conduisent à fixer ce gaz sous une forme chimique sans incidence sur l'environnement, par exemple sous forme de carbonate de calcium. Les produits de cette transformation ne sont pas d'une valeur significative. Le coût global est donc relativement important.
D'autres solutions consistent à utiliser des algues capables de photosynthèse dans des réacteurs appelés « photobioréacteurs ». De tels organismes synthétisent leur matière organique en exploitant la lumière (du Soleil) et en fixant le dioxyde de carbone (ci-après désigné par C02). Outre le C02, leurs besoins sont l'eau et des éléments nutritifs présents par exemple dans le sol. Les produits obtenus sont de la matière organique également appelée « biomasse », et de l'oxygène (ci-après désigné par 02) également appelé « oxygène métabolique ». La réaction de photosynthèse peut être résumée par l'équation chimique suivante :
n C02 + n H20→ (CH20)n + n 02 (équation 1).
Le schéma traditionnel de culture d'algues est alors le suivant : de l'eau enrichie en nutriments est introduite dans le photobioréacteur. Par ailleurs, du C02 est introduit dans le photobioréacteur et le photobioréacteur reçoit un rayonnement lumineux, qui apporte l'énergie nécessaire à la réaction. Dans ces systèmes, le C02 provient soit de l'air atmosphérique, soit de gaz riches en C02 (C02 pur, gaz de combustion, air synthétique, ...). Dans le cas des gaz riches en C02, l'injection de ces gaz est réalisée sous une forme comprimée. En effet, cette compression est nécessaire pour vaincre la contre-pression de l'eau de culture, mais elle représente un coût énergétique de l'ordre de 10% ou plus de l'énergie produite par la biomasse algale.
Pour éviter cette compression énergivore, la demande de brevet n°US2008178739Al propose une solution selon laquelle les algues sont cultivées dans un plan horizontal surmonté d'une atmosphère synthétique enrichie en C02. Cependant, cette solution présente deux inconvénients. Tout d'abord la température des gaz doit être limitée pour éviter de détruire la culture d'algue en chauffant l'eau au-delà d'une valeur critique, qui dépend de la souche utilisée. Par ailleurs, dans un tel dispositif, la surface de contact gaz/eau doit être suffisamment grande pour permettre une bonne diffusion du C02 dans l'eau. Cette dernière caractéristique constitue l'inconvénient majeur d'un tel dispositif. 3. Objectifs de l'invention
L'invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients de l'art antérieur.
Plus précisément, un objectif de l'invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est de fournir un procédé d'épuration de gaz ou fumées riches en C02, par exemple un gaz de combustion, au moyen d'organismes phototrophes dans un photobioréacteur, qui soit moins coûteux en énergie que les procédés classiques. Par « phototrophe », on entendra par la suite tout organisme capable de photosynthèse.
Un autre objectif de l'invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est de mettre en œuvre un tel procédé permettant de réaliser cette injection de C02 sans compression de gaz.
Un autre objectif de l'invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est de mettre en œuvre un tel procédé selon lequel la quantité de C02 injectée dans le photobioréacteur peut être contrôlée indépendamment de la quantité de C02 présente dans le gaz. Un autre objectif de l'invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est de mettre en œuvre une telle technique qui permette d'obtenir un meilleur rendement d'épuration et ceci pour un coût plus faible que les solutions classiques.
4. Exposé de l'invention
L'invention concerne un procédé d'épuration de gaz comprenant du C02 au moyen d'organismes phototrophes, comprenant les étapes suivantes :
a) apport d'eau provenant d'une source d'eau ;
b) captation et lavage du gaz dans un absorbeur comprenant au moins une portion de l'eau de manière à obtenir une solution aqueuse de C02 ;
c) à partir d'au moins une portion de l'eau, préparation d'une solution aqueuse comprenant des nutriments ;
d) injection dans un photobioréacteur comprenant les organismes phototrophes d'au moins une portion de la solution aqueuse de C02 et d'au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments ;
e) illumination du contenu du photobioréacteur par un rayonnement lumineux.
Bien entendu, les étapes (b) et (c) peuvent être mises en œuvre dans un ordre indifférent, elles peuvent être mises en œuvre de manière simultanée ou être mises en œuvre en parallèle. Par ailleurs, la portion de l'eau mise en œuvre dans l'étape (b) et la portion de l'eau mise en œuvre dans l'étape (c) peuvent être distinctes, ou totalement ou partiellement confondues.
On entend par « photobioréacteur » tout type de récipient ou lagune, qu'il soit fermé ou ouvert (une lagune fermée peut être, par exemple, une lagune recouverte d'une serre), qui permet la culture d'organismes phototrophes.
Le principe général de l'invention repose sur l'introduction dans le photobioréacteur d'une solution aqueuse de C02 obtenue à partir du gaz comprenant le C02, et non sur l'introduction directe du gaz dans le photobioréacteur. Ainsi, grâce au procédé selon l'invention, il n'est pas nécessaire de réaliser une compression de gaz, ce qui permet de réaliser des économies substantielles d'énergie.
Avantageusement, selon ce procédé, la captation du C02 provenant du gaz comprenant du C02, réalisée lors de l'étape (b), est découplée de l'injection de la solution obtenue dans le milieu de culture lors de l' étape (d). L'expression « milieu de culture » désigne la solution aqueuse globale contenue dans le photobioréacteur (comprenant au moins une portion de la solution aqueuse de nutriments et au moins une portion de la solution aqueuse de C02) ainsi que les organismes phototrophes contenus dans le photobioréacteur.
Ainsi, l'invention repose sur une approche tout à fait nouvelle et inventive de capture du C02 et d'apport du C02 en vue de sa fixation par des organismes phototrophes. Préférentiellement, le procédé peut comprendre une étape de régulation du taux de C02 dans la solution aqueuse globale contenue dans le photobioréacteur : la concentration en C02 dans le photobioréacteur peut être ajustée indépendamment de la production du gaz comprenant du C02. Ainsi, en suivant les besoins des organismes phototrophes, on obtient un rendement optimal de culture des organismes phototrophes, de sorte que la consommation de C02 est maximale, ce qui permet d'accroître le rendement du procédé d'épuration selon l'invention.
Avantageusement l'étape de régulation précitée comprend une étape de stockage temporaire d'au moins une portion de la solution aqueuse de C02. L'injection du C02 dans le milieu de culture pouvant être découplée de sa captation depuis le gaz comprenant du C02, le débit instantané de C02 injecté dans le photobioréacteur peut être contrôlé indépendamment du débit de C02 présent dans le gaz comprenant le C02. Ainsi, l'invention permet un traitement du gaz en continu, même si l'apport de C02 au milieu de culture n'est pas continu. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le gaz comprenant du C02 peut provenir de procédés industriels. Ainsi l'invention peut également concerner les fours à chaux ou des fours à verre, et en particulier les fours à oxy-combustion.
Selon une mise en œuvre avantageuse de l'invention, l'eau contenue dans le photobioréacteur est recyclée afin de générer au moins une portion de ladite source d'eau. Ainsi, la quantité d'eau nécessaire est minimale.
Selon une variante de l'invention, chacune des étapes (b) et (c) peut être découpée en séquence de sous-étapes, lesdites sous-étapes des étapes (b) et (c) étant intercalées.
Selon un mode de réalisation conforme à l'invention, l'étape (d) comprend les étapes suivantes :
pré-mélange de ladite au moins une portion de la solution aqueuse de C02 avec ladite au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments ;
injection de la solution résultante du pré-mélange dans le photobioréacteur. Ainsi par exemple, la composition en nutriments du milieu de culture peut être ajustée indépendamment de sa teneur en C02, la solution aqueuse de nutriments et la solution aqueuse de C02 étant tout de même préparées simultanément. Cette préparation en parallèle suivie d'un pré-mélange permet une seule et unique injection de liquide dans le photobioréacteur, ce qui peut faire réaliser des économies de temps et permettre de limiter les perturbations dans le milieu de culture.
Selon une variante avantageuse de l'invention, on peut envisager une récupération par extraction d'au moins une partie de l'oxygène métabolique produit par les organismes phototrophes dans le photobioréacteur. Selon l'invention, le terme « organismes phototrophes » peut désigner à titre d'exemples et de manière non limitative les algues, les micro-algues, les bactéries. L'invention concerne également les mélanges d'une ou plusieurs espèces d'organismes précités.
Selon l'invention, la solution aqueuse de C02 comprend du C02 qui peut se trouver sous trois formes : C02 dissous, hydrogénocarbonate (ci-après désigné par HCO3"), carbonate (ci-après désigné par CO32"). Selon l'invention, le C02 apporté dans le photobioréacteur lors de l'étape (d) est sous au moins une de ces trois formes.
Conformément à un mode de réalisation particulier, l'invention concerne aussi un dispositif d'épuration de gaz comprenant du C02 au moyen d'organismes phototrophes comprenant :
a) des moyens d'apport d'eau provenant d'une source d'eau ;
b) des moyens de captation et de lavage du gaz dans un absorbeur comprenant au moins une portion de l'eau de manière à obtenir une solution aqueuse de C02 ; c) des moyens de préparation, à partir d'au moins une portion de l'eau, d'une solution aqueuse comprenant des nutriments ;
d) des moyens d'injection dans un photobioréacteur comprenant les organismes phototrophes d'au moins une portion de la solution aqueuse de C02 et d'au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments ;
e) des moyens d'illumination du contenu du photobioréacteur par un rayonnement lumineux.
Les avantages des dispositifs sont les mêmes que ceux des procédés : ils ne sont pas détaillés plus amplement.
Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le dispositif comprend des moyens de régulation du taux de C02 dans la solution aqueuse globale contenue dans le photobioréacteur.
Avantageusement, les moyens de régulation comprennent des moyens de stockage temporaire d'au moins une portion de la solution aqueuse de C02. Selon une mise en œuvre avantageuse du dispositif selon l'invention, le gaz comprenant du C02 provient d'un four à oxy-combustion.
Avantageusement, le dispositif comprend des moyens de recyclage de l'eau contenue dans le photobioréacteur afin de générer au moins une portion de ladite source d'eau.
Selon un mode de réalisation préférentiel, les moyens b) et c) sont activés suivant une séquence déterminée selon laquelle les activations des moyens b) et c) sont intercalés.
Selon une variante de l'invention, les moyens d) comprennent :
- des moyens de pré-mélange de ladite au moins une portion de la solution aqueuse de C02 avec ladite au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments ;
des moyens d'injection de la solution résultante du pré-mélange dans le photobioréacteur.
Selon une mise en œuvre avantageuse de l'invention, le dispositif comprend des moyens d' extraction d' au moins une partie de l'oxygène métabolique produit par les organismes phototrophes dans le photobioréacteur.
Selon une variante de l ' invention, les organismes phototrophes comprennent l'un au moins des organismes suivants :
- une algue ;
une micro-algue ;
une bactérie.
Selon un mode de réalisation conforme à l'invention, les moyens d) comprennent des moyens d'apport dans le photobioréacteur du C02 sous forme dissoute.
5. Liste des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de modes de réalisation préférentiels, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des figures annexées, parmi lesquelles : la figure 1 présente un synoptique du procédé traditionnel de culture d'algues ;
la figure 2 illustre un mode de réalisation du procédé selon l'invention dans lequel la préparation de la solution aqueuse de nutriments (étape (c)) est réalisée avant l'obtention de la solution aqueuse de C02 (étape (b)) ; la figure 3 illustre un mode de réalisation du procédé selon l'invention dans lequel l'obtention de la solution aqueuse de C02 (étape (b)) est réalisée avant la de préparation de la solution aqueuse de nutriments (étape
(c)) ;
la figure 4 illustre un mode de réalisation du procédé selon l'invention dans lequel l'injection du C02 nécessaire à l'obtention d'une solution aqueuse de C02 (étape (b)) et l'injection des nutriments nécessaires à la production d'une solution aqueuse de nutriments sont réalisées (étape (d)) simultanément ou de manière intercalée, dans la même portion d'eau ; la figure 5 illustre un mode de réalisation du procédé selon l'invention dans lequel l'obtention de la solution aqueuse de C02 (étape (b)) et la préparation de la solution aqueuse de nutriments (étape (c)) sont réalisées en parallèle, et l'injection de la solution aqueuse de C02 et l'injection de la solution aqueuse de nutriments dans le photobioréacteur lors de l'étape (d) peuvent être simultanées, successives ou intercalées ;
la figure 6 illustre un mode de réalisation du procédé selon l'invention dans l'obtention de la solution aqueuse de C02 (étape (b)) et la préparation de la solution aqueuse de nutriments (étape (c)) sont réalisées en parallèle, et les solutions obtenues sont pré-mélangées de manière à obtenir une solution unique comprenant du C02 et des nutriments, qui est ensuite injectée dans le photobioréacteur ;
la figure 7 donne les variations de concentration des différentes formes de C02 présentes dans la solution aqueuse de C02 en fonction du pH ;
la figure 8 présente un schéma synoptique du procédé revendiqué.
6. Description d'au moins un mode de réalisation de l'invention On illustre avec la figure 1 le schéma traditionnel de culture d'algues dans des photobioréacteurs. De l'eau 103 enrichie en nutriments 104 est introduite dans le photobioréacteur 105. Par ailleurs, du C02 101 est introduit dans le photobioréacteur 105. En outre, le photobioréacteur 105 reçoit un rayonnement lumineux 102, qui apporte l'énergie nécessaire à la réaction. Dans ce système, le C02 101 est introduit directement dans le photobioréacteur 105.
Le principe général de l'invention repose sur le découplage de la captation du C02 provenant du gaz, absorbé lors de l'étape (b), de son injection dans le milieu de culture lors de l'étape (d). Ce découplage est illustré sur les figures 2 à 6, où l'on voit que, contrairement à la figure 1, le C02 201 ; 301 ; 401 ; 501 ; 601 n'est pas introduit directement dans le photobioréacteur 205 ; 305 ; 405 ; 505 ; 605.
On présente, avec la figure 2, un procédé d'épuration selon un premier mode de réalisation : des nutriments 204 sont introduits dans une portion d'eau provenant d'une source d'eau 203 de manière à obtenir une solution aqueuse comprenant des nutriments. Puis cette solution aqueuse de nutriments est enrichie en C02 201 provenant de gaz comprenant du C02, et la solution aqueuse résultante est introduite dans le photobioréacteur 205 qui comprend des organismes phototrophes.
Dans la figure 3, le C02 301 est introduit dans une portion d'eau 303 de manière à obtenir une solution aqueuse de C02. Puis cette solution aqueuse de C02 est enrichie en nutriments 304, et la solution aqueuse résultante est introduite dans le photobioréacteur 305 qui comprend des organismes phototrophes.
Le passage de la figure 2 à la figure 3 s'obtient par interversion des étapes d'obtention de la solution aqueuse de C02 (étape (b)) et de l'étape de préparation de la solution aqueuse de nutriments (étape (c)).
La figure 4 est le cas limite entre les figures 2 et 3. Selon une variante du mode de réalisation illustré à la figure 4, les nutriments 404 et le C02 401 peuvent être introduits simultanément dans la même portion d'eau 403, puis la solution aqueuse résultante est introduite dans le photobioréacteur 405. Les étapes (b) et (c) sont alors simultanées et « fusionnées ». Selon une autre variante du mode de réalisation représenté à la figure 4, le débit d'injection 409 des nutriments dans la portion d'eau et le débit d'injection 408 du C02 dans la même portion d'eau peuvent être saccadés, de sorte qu'en fait chacune des étapes d'obtention de la solution aqueuse de C02 et de préparation de la solution aqueuse de nutriments sont découpées en sous-étapes, lesdites sous-étapes étant ainsi « intercalées ».
Selon un mode de réalisation représenté à la figure 5, l'étape d'obtention de la solution aqueuse de C02 (étape (b)) et l'étape de préparation de la solution aqueuse de nutriments (étape (c)) peuvent être réalisées en parallèle. On a représenté un cas particulier où il existe une réserve d'eau 503 (par exemple un réservoir) entre la source d'eau 500 et le photobioréacteur 505. Dans le mode de réalisation représenté, parallèlement à la captation du gaz et à la préparation de la solution aqueuse de C02 501 avec une portion d'eau de la réserve d'eau 503, on prépare une solution aqueuse comprenant des nutriments 504 avec une portion d'eau de la réserve d'eau 503 différente de la première portion d'eau. Chacune des solutions est injectée séparément dans le photobioréacteur 505 comprenant les organismes phototrophes. Là encore, les injections peuvent être successives (injection 508 de la solution aqueuse de C02 avant injection 509 de la solution aqueuse comprenant des nutriments, ou alors injection 509 de la solution aqueuse comprenant des nutriments avant injection 508 de la solution aqueuse de C02), ou bien les injections peuvent être simultanées (508 et 509 sont réalisées en même temps), ou bien les injections peuvent être intercalées (les flèches 508 et 509 représentant des débits saccadés).
Le mode de réalisation illustré à la figure 6 peut être considéré comme un cas particulier du mode de réalisation représenté à la figure 5, dans lequel la solution aqueuse de C02 601 et la solution aqueuse comprenant des nutriments 604 sont préparées en parallèle, puis pré-mélangées et enfin injectées dans le photobioréacteur 605 comprenant les organismes phototrophes.
Dans tous les cas, le contenu du photobioréacteur est illuminé par un rayonnement lumineux 202 ; 302 ; 402 ; 502 ; 602 qui fournit l'énergie nécessaire à la réaction de photosynthèse. Les produits obtenus sont de la matière organique appelée « biomasse » 206 ; 306 ; 406 ; 506 ; 606 et de l'oxygène 02 207 ; 307 ; 407 ; 507 ; 607. Biomasse et oxygène peuvent être extraits du milieu de culture et récupérés.
Après culture, les organismes phototrophes peuvent être récoltés en continu ou par prélèvements ponctuels, par exemple grâce à des procédés traditionnels tels que la floculation suivie d'une filtration et d'un séchage. Le prélèvement d'au moins une portion du milieu de culture et son traitement pour récupérer la biomasse peut être appelé « extraction de biomasse ». Ces prélèvements peuvent entraîner des pertes d'eau qui seront préférentiellement compensées par l'ajout d'eau d'appoint.
L'illumination par un rayonnement lumineux 202 ; 302 ; 402 ; 502 ; 602 peut être assurée par une source de lumière naturelle, c'est-à-dire par le Soleil.
L'éclairage peut également être artificiel, par exemple avec des lampes comprenant une ampoule halogène ou une ampoule à base de diodes électroluminescentes (« LEDs »).
Préférentiellement, la source d'eau est contrôlée afin de s'assurer que la quantité d'éléments nuisibles (notamment toxiques) aux organismes phototrophes est inférieure à un seuil déterminé. Pour l'algue Chlorella vulgaris par exemple on peut citer des valeurs tirées de « Tolérance of Chlorella vulgaris for metallic and non-metallic ions » par L. E. Den Dooren De Jong, Antonie van Leeuwenhoek, vol. 31, pp. 301-313 (1965), et reprises dans le tableau suivant :
Sel testé Concentration la plus Concentration
haute tolérées dans les d'inhibition la plus conditions faible (g at/L) expérimentales décrites
dans l'article (g
atome/L)
Sodium NaF 0.048 0.072
NaCl 0.59 0.68
Magnésium MgS04*7H20 0.98 1.23
Chrome CrCl3 0.0032 0.0064
Fer FeCl3 aq 0.003 0.006 Nickel Ni(N03)2*6H20 6.9 10-6 17 10-6
Zinc ZnS04*7H20 0.0017 0.0035
Plomb Pb(N03)2 0.002 0.003
Aluminium A1C13*6H20 0.002 0.004
Mercure HgCl2 0.000018 0.000037
La source d'eau peut être de l'eau de ville, de l'eau de rivière ou de canal, de l'eau de pluie, de l'eau déminéralisée, ou de l'eau de ville ayant subi un traitement par bullage d'air destiné à éliminer un ou plusieurs éléments toxique(s) pour certaines souches d'organismes phototrophes, comme par exemple le chlore.
Il est possible de mettre en place un système de recyclage d'eau comme illustré à la figure 5. Lors de l'extraction d'au moins une partie de la biomasse 506 par prélèvement d'une portion du milieu de culture compris dans le photobioréacteur 505, une portion d'eau 510 peut être récupérée. Après nettoyage, cette portion d'eau peut être renvoyée vers la réserve d'eau 503. En effet, on peut mettre en œuvre pour ce faire une pompe 511 connectée entre le photobioréacteur 505 et la réserve d'eau 503. Ce système de recyclage permet de réaliser des économies d'eau. Seules les pertes d'eau, dues par exemple à l'évaporation, ou à l'extraction de biomasse, peuvent alors être compensées par apport d'une portion d'eau appelée « eau d'appoint » 512.
Selon l'invention, le C02 nécessaire à la photosynthèse est apporté au milieu de culture sous forme d'une solution aqueuse de C02.
La dissolution du C02 gazeux 201 ; 301 ; 401 ; 501 ; 601 dans l'eau 203 ; 303 ; 403 ; 503 ; 603 correspond à Y équation 2 :
C02 (gaz)→ C02 (dissous) (équation 2)
Elle obéit à la loi de Henry reprise à Y équation 3 :
[C02 (dissous)] = Pco2 (gaz) / H co2 (équation 3)
où [C02 (dissous)] désigne la concentration en C02 dissous dans l'eau, HCo2 la constante de Henry pour le C02, et pCo2 (gaz) la pression partielle en C02 de la phase gazeuse. Puis le C02 dissous réagit avec l'eau H20 pour former HC03 " et C03 2~. Et la dissolution répond aux équilibres donnés par les équations (4) et (5) suivantes :
C02 (dissous) + H20→ HCO3 + H+ (équation 4)
HC03 → C03 2 + H+ (équation 5)
La solution aqueuse de CO2 comprend du CO2 qui peut se trouver en fait sous trois formes : CO2 dissous (703), hydrogéno carbonate HC03 " (704), et carbonate C03 2~ (705). La forme majoritaire est fonction du pH (comme illustré à la figure 7). Sur cette figure, on représente la concentration des différentes formes de CO2 qui peuvent exister dans la solution aqueuse de CO2 en fonction du pH : l'axe des abscisses 701 donne les valeurs de pH, et l'axe des ordonnées 702 donne la concentration (en μιηοΐ/kg) de chaque forme de CO2 présente dans la solution.
Le CO2 nécessaire 201 ; 301 ; 401 ; 501 ; 601 peut provenir de gaz industriels, comme par exemple des gaz de combustion issus de fours à verre ou de fours à chaux, qui dégagent beaucoup de CO2.
Les fours à oxy-combustion, qui utilisent comme comburant de l'oxygène pur (plutôt que simplement de l'air) produisent des gaz particulièrement riches en CO2 et appauvris en produits secondaires, ce qui permet un traitement plus aisé. En effet, avoir un CO2 concentré peut accroître le rendement du procédé selon l'invention, et ce au moins pour deux raisons :
D'une part, si la pression partielle en CO2 est élevée, alors la concentration en CO2 dissous est élevée d'après Véquation 3 et le rendement de la dissolution de C02 gazeux dans l'eau ([C02 dissous]/ [C02 gazeux fourni]) va être grand.
D'autre part, avec une pression partielle en CO2 élevée, pour un débit unitaire de CO2 (de lkg/h par exemple), le débit total de gaz sera moins important. Donc avec des gaz riches en CO2, le volume de gaz à traiter sera moindre que pour des gaz pauvres en CO2. Ceci peut permettre par exemple de réduire le volume des appareillages, notamment celui du dispositif de dissolution du CO2 dans l'eau.
Les gaz comprenant le CO2 peuvent être nettoyés avant l'étape de dissolution de C02 gazeux 201 ; 301 ; 401 ; 501 ; 601 dans l'eau 203 ; 303 ; 403 ; 503 ; 603. L'absorbeur qui permet de capter ces gaz peut se composer de deux parties qui peuvent être distinctes ou pas : un dispositif de nettoyage et un dispositif de dissolution de C02 gazeux dans l'eau. On peut utiliser par exemple les méthodes de dépollution traditionnellement employées dans l'industrie du verre ou de la chaux : les gaz comprenant le C02 peuvent passer sur un filtre à manche, sur un électro-filtre qui permet d'éliminer des particules, par exemple des métaux lourds (comme Hg, Cr, Ni, Zn, Pb), puis sur un dispositif DeSOx (pour éliminer les oxydes de soufre) et sur un catalyseur DeNOx (pour éliminer les oxydes d'azote).
Enfin, dans l'invention, le gaz comprenant le C02 n'est plus en contact direct avec le milieu de culture. Or la production d'oxygène par photosynthèse a lieu uniquement dans ce milieu. Si l'on considère que l'on injecte dans le milieu de culture une solution aqueuse comprenant pour seul gaz dissous du C02 pur et qu'il est totalement absorbé par les organismes phototrophes (selon Y équation 1) ou que le C02 non consommé par les organismes phototrophes reste en solution, alors le seul gaz sortant du photobioréacteur sera de Γ02 métabolique. Si le photobioréacteur est fermé, on peut envisager de récupérer cet 02 métabolique 207 ; 307 ; 407 ; 507 ; 607.
La température du milieu de culture dépend de l'espèce d'organisme phototrophe utilisée. Pour les algues Chlorella vulgaris par exemple, elle est de l'ordre de 28°C. Il est alors nécessaire de refroidir le gaz comprenant le C02. A titre indicatif, la température des gaz à la sortie d'un four à verre est de l'ordre de 220°C et la température des gaz à la sortie d'un four à chaux est de l'ordre de 150°C.
Ceci peut être fait par les techniques traditionnelles, grâce par exemple à un échangeur de chaleur, la source froide pouvant être la source d'eau 500. L'échangeur de chaleur peut aussi être le dispositif 513 de dissolution de C02 gazeux dans l'eau lui-même. Inversement, la chaleur des gaz comprenant le C02 peut servir à réchauffer le milieu de culture s'il est trop froid (par exemple en hiver).
La dissolution de C02 gazeux 502 dans l'eau expliquée ci-dessus peut être réalisée grâce à différents dispositifs 513 de dissolution de C02 gazeux dans l'eau parmi lesquels on peut citer une colonne à bulles, une cuve à agitation (magnétique par exemple), une colonne à plateaux (perforés ou à calotte), une colonne à garnissage (à co- ou contre-courant), un Venturi, une colonne à pulvérisation, une colonne à film.
L'utilisation d'une colonne à film de type « Amazone » (commercialisée par la société Toussaint-Nyssenne) permet, outre la dissolution du C02 dans l'eau, l'élimination de poussières, et les échanges de chaleur.
Après cette étape, on obtient donc une solution aqueuse de C02. Avantageusement selon l'invention, les organismes photo trophes ne sont jamais en contact direct avec le C02 gazeux. Ainsi, les organismes phototrophes ne sont pas soumis aux chocs des bulles de gaz et ne sont pas stressés.
Le découplage de la captation du C02 provenant du gaz, réalisée lors de l'étape (b), de son injection dans le milieu de culture lors de l'étape (d) permet aussi de réaliser un stockage de la réserve de C02 présente dans l'eau sous forme dissoute, par exemple dans un réservoir-tampon 514 (représenté sur la figure 5) inséré entre le dispositif 513 de dissolution de C02 gazeux dans l'eau et le photobioréacteur 505. Ainsi, l'apport en C02 au milieu de culture peut être régulé en fonction des besoins. On peut envisager par exemple insérer, entre le réservoir- tampon 514 et le photobioréacteur 505, une pompe 515 dont le débit est réglable, ce qui permet d'ajuster la quantité de C02 dans le milieu de culture. On peut également diluer le milieu de culture par apport d'eau d'appoint 512. Les besoins en C02 peuvent être estimés par une mesure des concentrations en HCO3 " et CO3 2 ", par exemple avec un titrateur automatique de type « Applikon » (commercialisé par Métro hm). Un autre avantage du stockage du C02 sous forme d'une solution aqueuse réside dans son acheminement vers les photobioréacteurs 205 ; 305 ; 405 ; 505 ; 605. Il est en effet plus facile de transporter des liquides que des gaz (transport par simple gravité par exemple), et ce d'autant plus que la distance à parcourir est grande (notamment dans le cas d'un champ d'une centaine de photobioréacteurs de plusieurs hectares). Ceci se traduit par des économies de coût substantielles.
En outre, une fïltration après la dissolution de C02 gazeux dans l'eau découplée de l'injection dans le milieu de culture, par exemple avec un filtre 516 (placé entre le dispositif 513 de dissolution de C02 gazeux dans l'eau et le photobioréacteur 505, ou, le cas échéant entre le réservoir-tampon 514 et le photobioréacteur 505), permet de récupérer des sels insolubles (comme CaC03, MgC03, ...) et ainsi éviter leur contact avec les organismes phototrophes. Dans un procédé traditionnel tel que celui représenté à la figure 1, ces sels auraient précipité dans le milieu de culture et se seraient mélangés aux organismes phototrophes.
De la même manière qu'on peut réguler l'apport de C02 501 dans le milieu de culture, l'apport de nutriments 504 peut être contrôlé. Les nitrates étant traditionnellement utilisés comme indicateur du niveau moyen en nutriments, ce contrôle peut se faire au moyen d'une mesure de la quantité de nitrates dans la solution aqueuse globale. L'apport supplémentaire de nutriments peut alors être réalisé à l'aide d'une pompe doseuse 517 placée entre la réserve de nutriments 504 et le photobioréacteur 505.
On décrit maintenant un exemple particulier de dispositif d'épuration de gaz comprenant du C02 au moyen d'organismes phototrophes selon l'invention.
Des essais de culture ont été réalisés avec des algues de l'ordre des Chlorococcales, famille : Chlorellaceae, genre : Chlorella, espèce : vulgaris (ci- après désignées par « Chlorella vulgaris ») dans un photobioréacteur ouvert en verre de dimensions 85*5*280 cm (soit un volume de 1 19L) réalisé à l'aide de feuilles de verre de 12mm d'épaisseur collées, l'étanchéité étant assurée par un joint torique. Le photobioréacteur se trouve dans une serre et est rempli avec 112L d'eau déminéralisée enrichie en nutriments de manière à obtenir un milieu de culture M8 dont la composition en macro- et micronutriments est indiquée dans les tableaux suivants :
Figure imgf000019_0001
Figure imgf000019_0002
La température du réacteur est maintenue idéalement autour de 27.5°C (+/-2.5°C), qui est la température optimale pour les Chlorella vulgaris, au moyen d'une serre isolée thermiquement et dotée d'une climatisation et d'un échangeur de chaleur interne au photobioréacteur.
L'illumination est assurée par de la lumière naturelle (soit en Belgique : 125W/m2/an en moyenne en comptant les heures de nuit). Dans cet exemple, l'apport de C02 au milieu de culture est réalisé sous la forme d'une solution aqueuse contenant des ions hydrogéno carbonates HCO3 " , en l'occurrence par exemple avec une solution aqueuse de NaHC03. L'emploi d'une telle solution permet de simuler la dissolution du C02 gazeux dans l'eau et aboutit à une solution aqueuse de C02 qui peut être assimilée à celle que l'on obtiendrait par le procédé selon l'invention.
L'étape de dissolution de C02 gazeux dans de l'eau déminéralisée a aussi été réalisée avec un dispositif 513 bullant-pilote en verre, de 10 cm de diamètre et de 54cm de hauteur ; son volume de travail est 4 L. Les essais ont été menés avec un volume de travail de 3 L. Un flux de gaz de 600 mL/min contenant 33% de C02 dans l'air (ce qui peut être assimilé à la composition des gaz issus d'un four verrier à oxy-combustion) est introduit par 16 trous de 1.5 mm de diamètre. La vitesse du gaz à travers un trou est d'environ 0.35 m/s. Un mélangeur à 4 pales verticales tourne à une vitesse de 12000 trs/min pour détruire les bulles coalescentes et réduire leur diamètre.
Le rendement de la dissolution, obtenu en calculant le rapport [CO2 dissous]/[C02 introduit] est de l'ordre de 55%.
En négligeant le dégazage du C02 dissous (au niveau du photobioréacteur 505, et éventuellement au niveau du réservoir-tampon 514) et en supposant que les organismes phototrophes sont synchronisés au dispositif 513 de dissolution de C02 gazeux dans l'eau, i.e. la totalité du C02 dissous dans l'eau par le dispositif susnommé est consommée par les organismes phototrophes, alors le rendement du procédé d'absorption du C02 par les organismes phototrophes est le rendement de la dissolution de C02 gazeux dans l'eau.
Dans les conditions décrites ci-dessus, la concentration en algues se stabilise à lg/L. Pour extraire de la biomasse 506, on peut prélever (ponctuellement ou de manière continue) une portion du milieu de culture, puis lui faire subir un traitement comprenant des étapes de filtration, floculation puis séchage.
Le volume d'eau peut être maintenu constant par l'ajout d'eau d'appoint 512 dans le photobioréacteur 505 pour compenser les pertes dues à l'évaporation et aux prélèvements de milieu de culture.
En résumé, on peut comparer la composition du gaz de combustion d'un four à verre après un traitement traditionnel utilisé actuellement dans l'industrie verrière sans procédé d'épuration par des organismes phototrophes, avec la composition de ce gaz après traitement par le procédé d'épuration selon le mode de réalisation de l'invention décrit ci-dessus. Le traitement traditionnel consiste en un simple nettoyage du gaz. D'abord ce gaz passe des électro-filtres pour éliminer poussières et subir un traitement DeSOx pour éliminer les oxydes de soufre (par exemple par addition de CaC03 en milieu aqueux, selon la réaction : CaC03 + S02 → CaS03 + C02), puis le gaz résultant passe sur un catalyseur DeNOx pour éliminer les oxydes d'azote (par exemple en injectant du NH3 sous forme de NH4OH sur une matrice céramique en nid d'abeille qui catalyse la réaction de dégradation des oxydes d'azotes en H20, 02 et N2.
Les valeurs sont reprises dans le tableau suivant :
Figure imgf000021_0001
Dans cet exemple, le procédé d'épuration de gaz comprenant du C02 selon l'invention permet de rejeter 50% de C02 en moins dans l'atmosphère que par le procédé traditionnel. On décrit, en relation avec la figure 8, un procédé d'épuration de gaz comprenant du C02 au moyen d'organismes phototrophes. Ce procédé comprend une étape 801 d'apport d'eau provenant d'une source d'eau ; une étape 802 de captation et lavage du gaz dans un absorbeur comprenant au moins une portion de l'eau de manière à obtenir une solution aqueuse de C02 ; une étape 803 de préparation, à partir d'au moins une portion de l'eau, d'une solution aqueuse comprenant des nutriments ; une étape 804 d'injection dans un photobioréacteur comprenant les organismes phototrophes d'au moins une portion de la solution aqueuse de C02 et d'au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments ; une étape 805 d'illumination du contenu du photobioréacteur par un rayonnement lumineux. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation mentionnés ci-dessus.
En particulier, l'Homme du Métier pourra apporter toute variante dans le choix de l'espèce d'algues ou micro-algues ou plus généralement d'organisme phototrophe. Outre les Chlorella vulgaris mentionnées ici, on peut par exemple et à titre non limitatif utiliser des Chlorella sorokiniana, des Dunaliella tertiolecta, des Dunaliella salina ou des Haematococcus pluvialis. On peut également utiliser un mélange de plusieurs espèces. L'organisme phototrophe peut aussi être une bactérie, comme par exemple une cyanobactérie, telle la Spirulina platensis.
L'invention s'applique bien sûr, également à des réacteurs fermés, et à des lagunes (ouvertes ou fermées).
De même, l'invention n'est pas limitée à une culture en batch et s'applique également à une culture en continu.
En outre, l'invention ne s'applique pas uniquement au traitement des gaz de combustion issus des fours à verre ou à chaux, mais aussi à tout type de gaz ou de fumées comprenant du C02, tels que de l'air, des gaz ou fumées de combustion, par exemple industrielle.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'épuration de gaz comprenant du C02 au moyen d'organismes phototrophes comprenant les étapes suivantes :
a) apport (801) d'eau (203 ; 303; 403 ; 503 ; 603) provenant d'une source d'eau
b) captation et lavage (802) du gaz dans un absorbeur comprenant au moins une portion de l'eau de manière à obtenir une solution aqueuse de C02 ; c) à partir d'au moins une portion de l'eau, préparation (803) d'une solution aqueuse comprenant des nutriments (204 ; 304 ; 404 ; 504 ; 604) ;
d) injection (804) dans un photobioréacteur (205 ; 305 ; 405 ; 505 ; 605) comprenant les organismes phototrophes d'au moins une portion de la solution aqueuse de C02 et d'au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments ;
e) illumination (805) du contenu du photobioréacteur par un rayonnement lumineux (202 ; 302 ; 402 ; 502 ; 602)
les étapes (b) et (c) pouvant être interverties ou simultanées.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de régulation du taux de C02 dans la solution aqueuse globale contenue dans le photobioréacteur (205 ; 305 ; 405 ; 505 ; 605).
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de régulation comprend une étape de stockage temporaire d'au moins une portion de la solution aqueuse de C02.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le gaz comprenant le C02 (201 ; 301 ; 401 ; 501 ; 601) provient de combustion par exemple industrielle, préférentiellement issues d'un four à oxy- combustion.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'eau contenue dans le photobioréacteur (205 ; 305 ; 405 ; 505 ; 605) est recyclée afin de générer au moins une portion de ladite source d'eau.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chacune des étapes (b) et (c) est découpée en séquence de sous-étapes, lesdites sous-étapes des étapes (b) et (c) étant intercalées.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'étape (d) comprend les étapes suivantes :
pré-mélange de ladite au moins une portion de la solution aqueuse de C02 avec ladite au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments ;
- injection de la solution résultante du pré-mélange dans le photobioréacteur.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'extraction d'au moins une partie de l'oxygène métabolique (207 ; 307 ; 407 ; 507 ; 607) produit par les organismes phototrophes dans le photobioréacteur (205 ; 305 ; 405 ; 505 ; 605).
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce les organismes phototrophes comprennent l'un au moins des organismes suivants :
- une algue ;
- une micro-algue ;
- une bactérie.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le C02 (201 ; 301 ; 401 ; 501 ; 601) est apporté dans le photobioréacteur (205 ; 305 ; 405 ; 505 ; 605) à l'étape (d) sous forme dissoute.
11. Dispositif d'épuration de gaz comprenant du C02 au moyen d'organismes phototrophes comprenant :
a) des moyens d'apport d'eau (203 ; 303 ; 403 ; 503 ; 603) provenant d'une source d'eau ; b) des moyens de captation et de lavage du gaz dans un absorbeur comprenant au moins une portion de l'eau de manière à obtenir une solution aqueuse de C02 ;
c) des moyens de préparation, à partir d'au moins une portion de l'eau, d'une solution aqueuse comprenant des nutriments (204 ; 304 ; 404 ; 504 ; 604) ; d) des moyens d'injection dans un photobioréacteur (205 ; 305 ; 405 ; 505 ; 605) comprenant les organismes phototrophes d'au moins une portion de la solution aqueuse de C02 et d'au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments ;
e) des moyens d'illumination du contenu du photobioréacteur par un rayonnement lumineux (202 ; 302 ; 402 ; 502 ; 602).
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