WO2024023022A1 - Photobioreactor and automated culture system - Google Patents

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WO2024023022A1
WO2024023022A1 PCT/EP2023/070458 EP2023070458W WO2024023022A1 WO 2024023022 A1 WO2024023022 A1 WO 2024023022A1 EP 2023070458 W EP2023070458 W EP 2023070458W WO 2024023022 A1 WO2024023022 A1 WO 2024023022A1
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WO
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tank
culture
light
light source
control unit
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/070458
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French (fr)
Inventor
Nicolas ANTUNES
Original Assignee
AlgoMar
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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02—Photobioreactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M31/00—Means for providing, directing, scattering or concentrating light
    • C12M31/10—Means for providing, directing, scattering or concentrating light by light emitting elements located inside the reactor, e.g. LED or OLED
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/06—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of illumination

Definitions

  • the present invention relates to the field of photo-bioreactors for the cultivation of photosynthetic microorganisms such as microalgae, and automated cultivation processes.
  • the invention relates in particular to the regulation and optimal configuration of the lighting of a photo-bioreactor and the design of an automated microalgae cultivation system.
  • a photo-bioreactor comprises at least one open or closed tank to contain the culture medium and a light source making it possible to irradiate said tank. Access to light is one of the factors most limiting crop yields and different photo-bioreactor models have therefore been proposed to optimize the tank surface area and illuminated volume ratio.
  • lighting power also represents one of the largest costs of operating a PBR. It is therefore desirable to have a tank and a lighting configuration to illuminate the growing medium as best as possible, while limiting energy consumption. The use of LED light-emitting diodes as a light source has been proposed to meet this need.
  • patent application US 2010/0190227 discloses a photo-bioreactor integrating a light source inside the tank, in particular in the form of an LED insert molded in plastic.
  • the photo-bioreactor is designed in several modules, each module comprises a tank integrating an LED insert in the form of a vertical pipe, said insert being positioned on a lateral side of said module, offset from the central axis of the tank, and so that the opposite side of said module integrates an upper opening allowing a second module to be connected to said opening.
  • This document proposes to increase the culture capacity of the photo-bioreactor by vertically stacking several modules communicating with each other through their upper openings, so as to alternate the orientations of the LED inserts on each floor to have a helical geometry for positioning said LEDs through of the column.
  • This system is advantageous in that it makes it possible to integrate a light source inside the tank and reduce the energy consumption of the lighting.
  • new photo-bioreactors are still needed to further optimize and control the lighting conditions of a PBR.
  • PBRs have recently been developed with advanced lighting systems to allow microalgae to use light energy more efficiently, as well as to stimulate the production of certain metabolites of interest. These advanced lighting systems make it possible to control and vary the light intensity, wavelength, light color, and operating cycles of the light source.
  • the most sophisticated lighting systems also incorporate a configurable flash lighting mode, that is, a flashing light lighting mode. Indeed, various studies have demonstrated that flashing light, and in particular high-intensity flash light, can strengthen photosynthesis and improve the quality and quantity of microalgae biomass.
  • the flash lighting parameters must be optimal, particularly in intensity, frequency, and so-called duty cycle.
  • Some PBRs also allow you to configure variable lighting modes over a crop cycle, and to adapt to the biomass density in the PBR.
  • the American patent application gives an example of a photo-bioreactor with an improved lighting system, and comprising several LED light sources configurable in intensity, and wavelength by means of a control program, as well as being able to operate in a flash lighting mode.
  • Document CN 102352304 A relates to an airlift type PBR whose intensity of the lighting system can also be configured using a PLC controller.
  • the PBRs of the state of the art do not make it possible to control light sources with a frequency precision adapted to the level of sensitivity of photosynthetic organisms.
  • microalgae are capable of collecting light on the order of a picosecond, and are therefore sensitive to small variations in frequency of the light signal and light/dark cycles.
  • the LEDs are typically controlled by means of digital regulation of the PWM type modulating the amplitude of the light signal, and setting a frequency and cyclic ratio making it possible to modulate the light intensity of the LEDs. This results in a light signal flashing at a frequency imperceptible to the human eye, for example: computer screens flash with a frequency of 60 or 70 Hz, smartphones at 100 Hz, and neon lights at 100 Hz.
  • the first object of the present invention is to propose a photo-bioreactor with an improved LED lighting system to provide a continuous light signal of variable intensity, as well as to precisely configure the frequency of an intensity-modulated light signal. , and its operating duty cycle.
  • the invention proposes a photo-bioreactor device, said device comprising a culture tank, a control unit, and a light source with LED electroluminescent diodes configurable in light intensity and according to a flash lighting mode, characterized in that that the device further comprises:
  • a power regulation module configured to provide a direct current regulated analogously in voltage, and varying the intensity of a light signal from the light source
  • a flash regulation module configured to optionally apply a frequency and a duty cycle to said light signal, and in which device, the flash regulation module is powered by the direct current supplied by the power regulation module.
  • the device of the invention is very advantageous in that it allows the implementation of LED lighting whose light intensity is variable, but which does not introduce an undesirable effect of flashing light.
  • a first power regulation module makes it possible to control the intensity of the light source upstream by means of analog regulation, and therefore to ensure that the resulting light signal is truly continuous.
  • the flash regulation module allows you to add a flashing effect with a configurable frequency and duty cycle, and this on an already power modulated signal. The result is a system that allows the light source to be optimally configured and adapted to the sensitivity of photosynthetic organisms.
  • the light source is configurable by means of the control unit, and said control unit is connected to the power regulation module at means of an automatic potentiometer making it possible to analogously control said power regulation module, and the flash regulation module is configured to operate under digital control of said control unit.
  • this design will make it possible to automatically configure and control the lighting conditions.
  • the light source is also configurable in wavelength and variably over an operating cycle
  • the device comprises a power regulation module under analog control for each channel powering one or more LEDs of said light source.
  • the light source comprises at least one light sensor in communication with said control unit, and the latter implements feedback control of a power supply control of the light source according to a luminous flux measured by said light sensor, and in which said reservoir preferably comprises one or more walls coated with a reflective layer arranged to reflect the light from said light source. It is thus possible to further control the light intensity and improve the use of light.
  • said light source is integrated inside the culture tank in the form of a vertical light pipe integrating said LEDs, and the light source comprises a location column extending from a bottom of the culture tank and opening in a sealed manner at an upper closure of said culture tank, and in which the light pipes are housed inside said location column, and an upper opening of the location column is configured as an independent closable opening, and allowing the sealing of an internal volume of the culture tank to be maintained when it is opened.
  • This mode of integration of the light source allows access and troubleshooting of the light source without the need to stop the culture in progress, and without compromising the sterility of the culture in the tank.
  • the device of the invention comprises a mechanism for cleaning an external wall of the light source in contact with the culture medium, said mechanism comprising a pair of magnets arranged on one side and the other of said outer wall of the light source, and being driven by a system of pulleys to move along the light source.
  • said pulley system, and an internal magnet of said pair of magnets can be arranged inside the hollow interior of the pipe of the light source, and the second magnet of said pair of magnets comprises a cleaning element in contact with the outer wall of the location column.
  • this cleaning system is compatible with other types of PBR integrating light sources in hollow pipes, and whatever the configuration of their LED power system.
  • the device of the invention may also include one or all of the following characteristics, and in any technically operable combination:
  • the culture tank comprises one or more additional light sensors, such as photoresistors configured to measure a light flux in different zones of an internal volume of said culture tank receiving culture medium;
  • the culture tank is connected to an analysis tank integrating pH and nutrient sensors, and a device for measuring cell concentration, such as a turbidimeter;
  • control unit comprises a user interface and an application configured to display a set of measurements from the sensors of the device communicating with said control unit, and making it possible to configure the lighting mode of the light source;
  • the device comprises a lower gas inlet, such as CO2, said inlet being configured to inject gas towards the top of the culture tank, and preferably the device includes means for sterilizing air and controlling the air injection flow and its CO2 rate;
  • the culture tank integrates a plurality of internal light sources in the form of light pipes, each light pipe defining an illuminated zone inside the culture tank, and said device also comprises a gas bubbling network comprising positioned outlets outside of illuminated areas and acting as a means of mixing the culture medium.
  • the invention also relates to an automated cultivation system
  • a photo-bioreactor device comprising a cultivation tank, a mixing tank, a water storage tank, and a nutrient storage tank interconnected by a circuit of pipes , and comprising a control unit comprising a processor and a memory coupled to said processor, and instructions saved in the memory and executed by the processor to control the operating conditions of said culture system, characterized in that:
  • the culture tank has an inlet connected to the mixing tank for its supply of culture medium
  • the mixing tank comprises an inlet connected to the water storage tank, an inlet connected to the nutrient storage tank, mixing means, temperature adjustment means, and pH control means, and in that
  • -the system is configured to prepare the culture medium in the mixing tank at a programmable concentration, temperature and pH by means of said control unit, and -the system comprises transfer means under control of the control unit (such as a pump and a flow meter or a solenoid valve) assigned to each of the tanks of the system to activate and control a volume of liquid or solid transferred between said tanks.
  • control unit such as a pump and a flow meter or a solenoid valve
  • This configuration of the system makes it possible to supply the culture tank with a culture medium comprising a controlled concentration, pH, and temperature.
  • a culture already in progress in the PBR will not be stressed by the addition of new culture medium, the latter being able to be done at the same concentration, temperature and pH as the medium in the culture tank, or at least at similar conditions.
  • control unit allows the control unit to be programmed with automated culture programs with saved instructions to maintain or modify certain culture conditions in the culture tank.
  • the culture tank is connected to an analysis tank in communication with the control unit and integrating pH sensors, at least one nutrient, and a concentration measuring device cellular, such as a turbidimeter.
  • the control unit includes a program with saved instructions to activate the introduction of the culture medium contained in the mixing tank according to the parameters measured in the analysis tank, such as a cell concentration, a pH or a concentration of nutrients.
  • the culture tank also includes an inlet connected to at least one pH tank comprising a pH adjustment solution, and a CO2 inlet connected to a CO2 source
  • the control unit includes a program comprising saved instructions for regulating the pH in said culture tank by controlling the introduction of the pH and/or CO2 solution by activating transfer means assigned respectively to said CO2 source and pH tank.
  • the pH regulation mode can be chosen by the user.
  • the culture tank comprises an outlet connected to a harvest tank, and transfer means under control of the control unit to transfer a volume of liquid contained in the culture tank to said tank harvesting, and in which the control unit comprises a culture program making it possible to define a time, a frequency and a volume of liquid to be extracted from said culture tank towards the tank harvest and/or a volume of liquid to be injected into said culture tank from the mixing tank.
  • the system of the invention also allows automatic start-up of the system, including cleaning and sterilization cycle of the system components.
  • the transfer means between the tanks are bidirectional and the control unit includes a rinsing program comprising saved instructions for activating transfer means assigned to the water storage tank and injecting a liquid into the tank mixing and rinsing a set of tanks of the culture system from said liquid injected into the mixing tank, by sequentially operating transfer means assigned to each of said tanks of the system in a preconfigured order, and to empty the injected liquid into the system from the algae harvesting tank.
  • a sterilizing product can be added to the water storage tank, or possibly to the mixing tank, and so that the rinsing cycle also ensures the sterilization of the system.
  • the control unit includes a dedicated sterilization cycle, in which a time for the sterilizing liquid to pass through each tank of the system is defined.
  • sterilization is carried out by injecting a gas or steam into the tanks and pipes of the system.
  • the system includes a user interface for selecting a culture program with culture duration, volume, and frequency of volume injection and extraction of culture medium into and from the culture vessel, as well as 'displaying measurements from a set of temperature, pH light, cell concentration and nutrient sensors of said culture system.
  • the interface can be physically connected to the control unit and/or be an application in a mobile terminal or computer.
  • control unit also includes a communication module
  • the system includes a remote server hosting a database, said database comprising operating programs of the cultivation system downloadable and executable by the control unit.
  • the communication module is also configured to transmit to said database data associated with monitoring of a current crop for its storage and private or public availability.
  • FIG. 1 Illustrates a schematic representation of an automated culture system integrating a photo-bioreactor device according to the invention.
  • FIG. 2 Schematically illustrates the power regulation and control of the light source of the photo-bioreactor device of the invention.
  • FIG. 3 Schematically illustrates the control of a light source with configurable wavelength according to the invention.
  • FIG. 4 Schematically illustrates an internal light source comprising a cleaning system according to the invention.
  • FIG. 5 Schematically illustrates the extraction of the light pipe and part of the cleaning system of a source location column according to the invention.
  • FIG. 6 Schematically illustrates a front view of a photo-bioreactor device integrating several light sources according to the invention.
  • FIG. 7 Schematically illustrates a top view of a photo-bioreactor device according to Figure 6.
  • FIG. 8 Illustrates an embodiment of the monitoring and control interface of the device of the invention. Detailed description of embodiments of the invention
  • the aim of the present invention is to propose a new photo-bioreactor allowing optimal control of the supply of light, as well as optimal use of the latter.
  • the invention aims at a PBR with an LED lighting system optimized to provide continuous lighting close to natural lighting, and which can be optionally regulated with a desired frequency and duty cycle.
  • photo-bioreactor allows an in-depth and precise study of culture parameters, while allowing easy and high-yield culture.
  • Another objective is for the photo-bioreactor to be suitable for continuous or semi-continuous automated cultivation of photosynthetic microorganisms, in particular microalgae.
  • Figure 1 illustrates a preferred embodiment of a culture system integrating a photo-bioreactor 100 according to the invention, also called device 100 for the cultivation of photosynthetic microorganisms and comprising a culture tank C4 having the shape of a vertical column.
  • the tank C4 defines an internal volume for the cultivation of said microorganisms and its shape is not limited and can have a circular or polygonal section, such as square.
  • Light source 2 is configurable in intensity, wavelength, and lighting mode according to the parameters desired by a user.
  • the non-limiting programmable lighting modes can be i) continuous, the light source is activated for an indefinite or programmable time, ii) intermittent, the light source is activated and deactivated according to fixed or variable activity and inactivity cycles , and iii) flash, the light source is activated at high intensity with a predefined frequency and duty cycle.
  • the photo bioreactor will thus make it possible to study the effect of the lighting mode precisely and to control it in order to obtain the best yields of biomass or production of a molecule of interest, or to optimize the consumption of 'energy.
  • the high intensity flash illumination mode makes it possible to obtain more than 50% reduction in energy consumption.
  • flash mode can have an effect on growth kinetics and cellular metabolism.
  • the invention proposes to control the intensity of the LED light source 2 by means of a direct current regulated analogously in voltage (fig. 2).
  • a direct current regulated analogously in voltage (fig. 2).
  • This type of regulation ensures a luminous flux that does not vary its voltage in frequency, and therefore truly provides a continuous light signal. This is particularly important with the use of LEDs, whose lighting intensity is traditionally controlled in power by digital PWM regulation, and which is reflected in the chopping of the light signal.
  • a frequency such as 100 Hz
  • a duty cycle known in English as a duty cycle.
  • a frequency of 100 Hz and a duty cycle of 50% results in a current cutting off every 5 milliseconds.
  • the light signal is discontinuous, and formed by flashes of light not visible to the human eye.
  • These microcuts in the light signal are averaged by our eye to give a greater overall intensity and the perception of continuous lighting.
  • Microalgae are, however, capable of harvesting light on the order of picoseconds, and are therefore sensitive to these flashes of light invisible to the human eye.
  • the invention proposes to integrate a power regulation modulator dedicated to controlling the light intensity (and optionally the wavelength), and being configured to supply said direct current analogously regulated in voltage to power the light source.
  • the power regulation module is controlled by the control unit by means of an automatic potentiometer making it possible to apply said analog regulation varying the lighting intensity (fig. 2).
  • the invention proposes to also integrate a flash regulation module arranged downstream of the power regulation module to optionally set a frequency and the duty cycle to the current supplied by the power regulator. The flash regulation module will therefore be activated in the flash or intermittent operating mode.
  • Figure 2 schematically illustrates the configuration of the device proposed by the invention for controlling the light source 2.
  • the central unit controls the adjustment of the intensity of the lighting by means of analog regulation controlled by means of 'an automatic potentiometer.
  • the flash lighting mode is then activated by means of a dedicated flash regulation module and by generic PWM type digital regulation.
  • analog power regulation can be implemented using the RCD-24-1.20 driver, or using a Mosfet transistor such as the IRLZ34NPBF accompanied by one or more resistors. This last component can also be used as a flash regulation module.
  • high frequency components will be chosen for the flash regulation module in order to ensure proper operation of the flash lighting mode at high intensity and high frequency, for example mosfets based on gallium nitride and high frequency oscillators such that Gunn diode oscillators, and YIG oscillators will be preferred.
  • a power control module can also be integrated upstream of the light source 2, allowing a final verification of the power supplied to said light source to have even finer control of the lighting conditions.
  • the light intensity is controlled by analog control and the flash mode is controlled by digital control.
  • the device of the invention includes a light intensity feedback function making it possible to correct the luminous flux input in real time.
  • the light source integrates a light sensor configured to transmit to the control unit the light intensity detected in operating conditions, and so that the control unit modifies a power command of the regulation module to that the light intensity illuminated at a time t is equal to the configured light intensity.
  • the light intensity provided by an LED is variable at the same power supply depending on the ambient temperature. An increase in temperature thus results in a reduction in the quantity of luminous flux provided by an LED.
  • AIGalnP The colors from amber to red
  • Al gallium indium phosphide LEDs are the most sensitive to this reduction in luminous flux, and the colors ranging from blue to green and white (based on “InGaN” ) are the least sensitive. Consequently, feedback control of the light flux supply is very advantageous for crops programmed with wavelengths sensitive to this phenomenon, or with programmed variations in wavelengths.
  • the lighting source is configurable in wavelength by means of multichannel LEDs, such as RGB LEDs making it possible to adjust a wavelength according to the wave supply of each channel .
  • the invention proposes to implement a power regulator module for each channel to be supplied with LED lighting and so as to be able to configure all the channels and create a tailor-made emission spectrum, in particular with a specific frequency and duty cycle.
  • a flash regulation module and a power control module are also integrated for each channel to be controlled. It is thus possible to control the intensity and a flash lighting mode of each programmed wavelength.
  • a single flash regulation module is implemented placed upstream of the power regulation modules, thus making it possible to limit the number of total components. This last embodiment is suitable when the same flash signal is used for all LED channels.
  • the invention also proposes to coat an internal surface of the culture tank C4 with a light-reflecting layer, so that the light not absorbed by the culture medium is directed again towards the culture medium.
  • this reflective layer is present on the entire vertical internal wall of the tank, or at least on a part and so as to leave one or more windows to visualize the interior of the culture tank.
  • the device 100 integrates the light source 2 inside the culture tank C4 in the form of a light pipe emitting light at 360°, and extending along an axis central and longitudinal of the culture tank C4.
  • the lighting source can be located outside the culture tank C4.
  • the light source (fig. 4) is composed of a transparent pipe 21 having a hollow interior integrating light elements 22 such as LED light-emitting diodes arranged around a wall of said pipe. These light elements are for example integrated in the form of a helical winding or in the form of vertical ribbons.
  • the invention also provides a cleaning system suitable for use with an internal light source.
  • the hollow pipe 21 of the light source houses part of the cleaning system 60 of the light source.
  • the cleaning system 60 comprises a pair of magnets 26, 28 arranged on one side and on the other of the light elements.
  • a first internal magnet 26 is produced in the form of a magnetic bar placed inside the hollow interior of the pipe 21 and being driven along the pipe 21 by a system of pulleys 24, of which a guide cable 25 follows a center axial and longitudinal of the pipe 21.
  • the second magnet 28 is located on an exterior side of the pipe 21 and has an internal wall facing the light source and the first magnet, said internal wall being provided at least partially with a cleaning layer 29 whose shape follows the contour of said light source to clean it during its movement.
  • the internal wall of the second magnet also includes a portion 280 without cleaning layer in order to optimize the magnetization force with the internal magnet.
  • the pulley system 24 ensuring the movement of the system is driven by one or more motors, and so as to automate the cleaning of an exterior face of the light source 2.
  • the light source 2 is designed to allow the replacement of a light element and/or the troubleshooting of the cleaning system 60 without compromising the sterility of the culture in progress.
  • the light source comprises a location column 27 housing said light pipes 21, said location column extending from a bottom of the culture tank C4 and opening out in a sealed manner at the level of a upper closure 11 of the culture tank.
  • the pipe 21 can be extracted from the tank without compromising the tightness and sterility of an internal volume of the culture tank. Seals are therefore provided at the junction of the location column and the closure 11 of the culture tank, and the location columns are provided with closures independent of the closure 11.
  • the closure of the culture tank also includes sub-openings allowing the extraction of the second external magnet.
  • the reservoir of the device may include temperature regulation means implemented as a double envelope 3 configured to receive inside a fluid for temperature regulation.
  • This double envelope is present on the vertical walls of the culture tank.
  • the temperature regulation means comprise an external heating tank C5 provided with heating and/or cooling means 31 and an inlet 32 and outlet 33 of fluid connected to an internal space of the double envelope.
  • the culture tank integrates an exterior or interior coil as a means of temperature regulation.
  • the C4 culture tank of the invention is also provided with at least two sampling zones connected by a circuit of conduits 44 to an analysis tank 40 external to said C4 culture tank.
  • the sampling zones can be implemented at the level of the bubble network.
  • the C8 analysis tank includes pH and nutrient sensors (glucose, minerals, vitamins), and a cell concentration measurement device. The cell concentration is calculated in a known manner relative to the optical density of the culture medium, and using a turbidimeter. As illustrated in Figure 1, the sampling is done using a pump P, and the sampling conduit circuit 44 is configured to return the culture medium taken to the culture tank.
  • the C4 culture tank integrates inside photoresistors 5 making it possible to measure a light flux in different zones of the culture medium, and reflecting the cellular concentration in said zones. . It is thus possible to obtain a 3D map of the cell concentration in the different zones of the culture tank.
  • the device of the invention can also be adapted for large cultivation volumes.
  • the culture tank therefore has a larger volume and the invention proposes to integrate a plurality of light sources 2 inside its interior in order to illuminate said volume.
  • Figure 6 schematically illustrates the geometry of such a photo bioreactor seen from the front and Figure 7 a cross section seen from the top.
  • the light sources 2 are positioned so that their illuminated areas 220 are adjacent and cover the largest volume of culture medium possible. When the illuminated zones do not overlap, so-called dark zones 230 are formed between the illuminated zones 220.
  • the invention proposes to configure the CO2 injection bubble network 6 so that the gas outlets 61 are positioned at the level of the dark zones 230, and the injected gas limits the passage time of microorganisms in the dark zones.
  • the bubble network 6 forms a horizontal grid, and the gas outlets 61 are positioned at the corners of the grid.
  • the different light sources 2 can be configured with different wavelengths, and so as to allow the cultivation of microorganisms with different needs.
  • the photo-bioreactor can be designed as a culture system comprising a plurality of tanks allowing automated or semi-automated culture.
  • the culture system is suitable for the automated cultivation of demanding or sensitive microorganisms, and for any type of culture, such as continuous, batch or fed batch.
  • the invention notably proposes a culture system avoiding sudden changes in culture conditions when compounds are added to the C4 culture tank.
  • the system of the invention comprises a mixing tank C3 configured to previously prepare the culture medium to be injected into the culture tank C4.
  • the mixing tank comprises in particular mixing means, heating means such as heating mats TC1, TC2, pH adjustment means C10, C11, a temperature sensor T1, and a medium analysis tank C5 culture incorporating at least one sensor of pH.
  • the control unit makes it possible to activate and control all the means of the mixing tank, and so as to define and control a volume, a concentration, a temperature and pH of the culture medium to be prepared and injected. in the culture tank.
  • the culture in the PBR will therefore not be stressed by the addition of new culture medium, the latter being able to be done at the same concentration, temperature and pH as the medium in the culture tank, or at least at similar conditions.
  • the system comprises a water storage tank C1 provided with a current water inlet and an outlet to a sterilization system, for example with UV light, and making it possible to supply sterile water to the mixing tank C3.
  • the C1 water storage tank allows the evaporation of certain unwanted molecules such as chlorine.
  • the system also includes pH tanks C10, C11 for storing pH adjustment solutions, the latter being connected to the mixing tank C3 and/or directly to the culture tank 04 for the injection of pH solutions. pH adjustment in the latter.
  • the system also includes a C7 molecule tank for storing nutrients and injecting micronutrients such as carbon molecules, minerals, vitamins and other compounds of interest.
  • the culture system also includes a module or harvest tank C6 connected to an outlet of the culture tank C4, and allowing all or part of the culture medium to be taken.
  • liquid transfers between the different tanks are ensured by transfer means comprising at least one pump P, a flow meter D or a solenoid valve EV under the control of the control unit and being assigned to each of the tanks of the system.
  • the device also comprises a nutrient storage tank 02 configured to transfer liquid nutrients to a mixing tank 03.
  • the culture medium is prepared from the solid phase nutrients, and the means of transfer assigned to the nutrient storage tank 02 are of the endless screw doser type, and/or the storage tank is made in the form of a differential gravimetric doser.
  • control unit comprises a processor and a program of instructions saved in a memory coupled to said processor, said instructions being executed by the processor to control the operating conditions of said culture system.
  • the system is designed in particular for monitoring and controlling the quantity and speed of transport of liquid or solid between tanks with maintaining the variables in certain tanks (temperature, pH, etc.).
  • the control unit is for example a central controller model i3CL12Y/10D14-SEHF or SMT_CD_R20.
  • the system also includes a user interface allowing the selection of the operating conditions of the system and the monitoring of its operation, said interface being designed to display:
  • the system includes different cycles allowing the automation of a culture, including the cycles of starting, washing, rinsing, and starting and stopping a cell culture.
  • Cycle 1 Initialization of the functional volumes in relation to the level sensors of the system tanks:
  • Cycle 2 bleach wash (or other sterilizing product)
  • the middle of the mixing tank C3 will be renewed when the level falls below a threshold chosen by the operator until it reaches its level sensor CNC3 OR the volume chosen by the operator.
  • the system of the invention is therefore very advantageous in that it is designed to facilitate all of the tasks necessary for a user to carry out cell culture, and requires minimal intervention from the user.
  • the system is designed to have very precise control of cultivation conditions and is therefore very advantageous for experimental cultivation and research on photosynthetic microorganisms.
  • the system allows total and precise configuration of the growing conditions, and in particular the lighting mode.
  • the system of the invention therefore makes it possible to obtain high biomass production yields.
  • its great autonomy, its capacity to absorb CO2 as well as its high yield of nutrients make it possible to envisage this cultivation system in space colonies.
  • this bioreactor can offer, namely a high surface yield, a capacity to recycle CO2 from astronauts and their waste (urine, feces, etc.) or even the capacity to be able to cultivate algae without contamination from the external environment.
  • a high surface yield a capacity to recycle CO2 from astronauts and their waste (urine, feces, etc.) or even the capacity to be able to cultivate algae without contamination from the external environment.

Abstract

The present invention relates to an optimised photobioreactor device for providing total control of a variable-intensity light source of the device, the intensity being controlled by means of analogue regulation of an LED light source powered by direct current and being supplemented, where appropriate, with digital regulation in order to integrate a flash function. The device of the invention also comprises an internal light source that integrates a cleaning mechanism and is designed to facilitate upkeep of the device. The invention also relates to an automated culture system that makes it possible to obtain a high biomass production yield and to precisely monitor the culture conditions.

Description

PHOTO-BIOREACTEUR ET SYSTEME DE CULTURE AUTOMATISE PHOTO-BIOREACTOR AND AUTOMATED CULTURE SYSTEM
Domaine de l’invention Field of the invention
La présente invention concerne le domaine de photo-bioréacteurs pour la culture de microorganismes photosynthétiques tels que les microalgues, et les procédés de culture automatisés. L’invention concerne notamment la régulation et configuration optimale de l’éclairage d’un photo-bioréacteur et la conception d’un système de culture automatisée de microalgues. The present invention relates to the field of photo-bioreactors for the cultivation of photosynthetic microorganisms such as microalgae, and automated cultivation processes. The invention relates in particular to the regulation and optimal configuration of the lighting of a photo-bioreactor and the design of an automated microalgae cultivation system.
Arrière-plan technologique Technology background
Il existe aujourd’hui de nombreux types de photo-bioréacteurs PBR pour la culture de microalgues. La plupart de ces dispositifs sont conçus pour son utilisation au laboratoire, et ne permettent pas une production de biomasse à haut rendement ou un contrôle précis des conditions d’éclairage et de culture. En général, un photo-bioréacteur comporte au moins un réservoir ouvert ou fermé pour contenir le milieu de culture et une source de lumière permettant d’irradier ledit réservoir. L’accès à la lumière est l’un de facteurs limitant le plus les rendements des cultures et différents modèles de photo-bioréacteur ont été donc proposés pour optimiser le rapport surface du réservoir et volume éclairé. D’autre part, alimentation de l’éclairage représente également l’un des coûts le plus importants du fonctionnement d’un PBR. Il est donc souhaité d’avoir un réservoir et une configuration des éclairages permettant d’éclairer au mieux possible le milieu de culture, tout en limitant la consommation d’énergie. L’utilisation de diodes électroluminescents LED comme source de lumière a été proposée afin de répondre à ce besoin. Today, there are many types of PBR photobioreactors for microalgae cultivation. Most of these devices are designed for laboratory use, and do not allow high-yield biomass production or precise control of lighting and cultivation conditions. In general, a photo-bioreactor comprises at least one open or closed tank to contain the culture medium and a light source making it possible to irradiate said tank. Access to light is one of the factors most limiting crop yields and different photo-bioreactor models have therefore been proposed to optimize the tank surface area and illuminated volume ratio. On the other hand, lighting power also represents one of the largest costs of operating a PBR. It is therefore desirable to have a tank and a lighting configuration to illuminate the growing medium as best as possible, while limiting energy consumption. The use of LED light-emitting diodes as a light source has been proposed to meet this need.
Par exemple, la demande de brevet US 2010/0190227 divulgue un photo-bioréacteur intégrant une source lumineuse à l’intérieur du réservoir, notamment sous forme d’un insert LED moulé en plastique. Le photo-bioréacteur est conçu en plusieurs modules, chaque module comporte un réservoir intégrant un insert LED sous forme de tuyau vertical, ledit insert étant positionné d’un côté latéral dudit module, en décalage à l’axe central du réservoir, et de sorte que le côté opposé dudit module intègre une ouverture supérieure permettant de connecter un deuxième module à ladite ouverture. Ce document propose d’incrémenter la capacité de culture du photo-bioréacteur en empilant verticalement plusieurs modules communiquant entre eux par leurs ouvertures supérieures, de sorte à alterner les orientations des inserts LED à chaque étage pour avoir une géométrie hélicoïdale de positionnement desdits LED au travers de la colonne. Ce système est avantageux en ce qu’il permet d’intégrer une source de lumière à l’intérieur du réservoir et de diminuer la consommation en énergie des éclairages. Cependant, des nouveaux photo-bioréacteurs sont encore nécessaires pour optimiser et contrôler d’avantage les conditions d’éclairage d’un PBR. For example, patent application US 2010/0190227 discloses a photo-bioreactor integrating a light source inside the tank, in particular in the form of an LED insert molded in plastic. The photo-bioreactor is designed in several modules, each module comprises a tank integrating an LED insert in the form of a vertical pipe, said insert being positioned on a lateral side of said module, offset from the central axis of the tank, and so that the opposite side of said module integrates an upper opening allowing a second module to be connected to said opening. This document proposes to increase the culture capacity of the photo-bioreactor by vertically stacking several modules communicating with each other through their upper openings, so as to alternate the orientations of the LED inserts on each floor to have a helical geometry for positioning said LEDs through of the column. This system is advantageous in that it makes it possible to integrate a light source inside the tank and reduce the energy consumption of the lighting. However, new photo-bioreactors are still needed to further optimize and control the lighting conditions of a PBR.
De nombreux PBRs ont été récemment développés avec de systèmes d’éclairage perfectionnés pour permettre aux microalgues d'utiliser l'énergie lumineuse plus efficacement, ainsi que pour stimuler la production de certains métabolites d’intérêt. Ces systèmes d’éclairage perfectionnés permettent de contrôler et faire varier l’intensité lumineuse, la longueur d’onde, la couleur de la lumière, et les cycles de fonctionnement de la source lumineuse. Les systèmes d’éclairage les plus sophistiqués intègrent également un mode d’éclairage flash configurable, c’est-à-dire un mode d’éclairage à lumière clignotant. En effet, diverses études ont démontré que la lumière clignotante, et notamment la lumière flash à haute intensité peut renforcer la photosynthèse et améliorer la qualité et la quantité de la biomasse des microalgues. Toutefois, les paramètres de l’éclairage flash doivent être optimaux, notamment en intensité, en fréquence, et en rapport cyclique dit. Certains PBRs permettent également de configurer des modes d’éclairage variables sur un cycle de culture, et de sorte à s’adapter à la densité de biomasse dans le PBR. La demande de brevet américaine donne un exemple d’un photo-bioréacteur à système d’éclairage perfectionné, et comportant plusieurs sources de lumière à LED configurables en intensité, et longueur d’onde au moyen d’un programme de contrôle, ainsi que pouvant fonctionner selon un mode d’éclairage flash. Le document CN 102352304 A porte sur un PBR de type airlift dont l’intensité du système d’éclairage est également paramétrable au moyen d’un contrôleur PLC. Many PBRs have recently been developed with advanced lighting systems to allow microalgae to use light energy more efficiently, as well as to stimulate the production of certain metabolites of interest. These advanced lighting systems make it possible to control and vary the light intensity, wavelength, light color, and operating cycles of the light source. The most sophisticated lighting systems also incorporate a configurable flash lighting mode, that is, a flashing light lighting mode. Indeed, various studies have demonstrated that flashing light, and in particular high-intensity flash light, can strengthen photosynthesis and improve the quality and quantity of microalgae biomass. However, the flash lighting parameters must be optimal, particularly in intensity, frequency, and so-called duty cycle. Some PBRs also allow you to configure variable lighting modes over a crop cycle, and to adapt to the biomass density in the PBR. The American patent application gives an example of a photo-bioreactor with an improved lighting system, and comprising several LED light sources configurable in intensity, and wavelength by means of a control program, as well as being able to operate in a flash lighting mode. Document CN 102352304 A relates to an airlift type PBR whose intensity of the lighting system can also be configured using a PLC controller.
Toutefois, les PBR de l’état de la technique ne permettent pas de contrôler les sources lumineuses avec une précision de fréquence adaptée au niveau de sensibilité des organismes photosynthétiques. En effet, les microalgues sont capables de collecter la lumière à l’ordre du picoseconde, et sont donc sensibles à des faibles variations de fréquence du signal lumineux et des cycles de lumière/obscurité. Or, afin de varier leur intensité lumineuse, les LED sont typiquement pilotées au moyen d’une régulation numérique de type PWM modulant l’amplitude du signal lumineux, et fixant une fréquence et rapport cyclique permettant de moduler l’intensité lumineuse des LED. Il en résulte un signal lumineux clignotant à une fréquence imperceptible pour l’œil humain, par exemple : les écrans d’ordinateur clignotent avec une fréquence de 60 ou 70 Hz, les smartphones à 100 Hz, et les néons à 100 Hz. However, the PBRs of the state of the art do not make it possible to control light sources with a frequency precision adapted to the level of sensitivity of photosynthetic organisms. Indeed, microalgae are capable of collecting light on the order of a picosecond, and are therefore sensitive to small variations in frequency of the light signal and light/dark cycles. However, in order to vary their light intensity, the LEDs are typically controlled by means of digital regulation of the PWM type modulating the amplitude of the light signal, and setting a frequency and cyclic ratio making it possible to modulate the light intensity of the LEDs. This results in a light signal flashing at a frequency imperceptible to the human eye, for example: computer screens flash with a frequency of 60 or 70 Hz, smartphones at 100 Hz, and neon lights at 100 Hz.
Bien qu’un signal lumineux clignotant d’une LED soit imperceptible pour l’œil humain, les microalgues et d’autres organismes photosynthétiques seront sensibles à cette lumière clignotante. Il est donc souhaitable d’avoir un système d’éclairage à LED n’introduisant pas un phénomène de lumière clignotant lorsqu’un fonctionnement d’éclairage continu est souhaité. Il est également souhaitable que ce système puisse être contrôlable et programmable par un automate. Although a flashing light signal from an LED is imperceptible to the human eye, microalgae and other photosynthetic organisms will be sensitive to this flashing light. It is therefore desirable to have an LED lighting system that does not introduce a flashing light phenomenon when continuous lighting operation is desired. It is also desirable that this system can be controllable and programmable by a PLC.
Exposé de l’invention Presentation of the invention
La présente invention a comme premier objet de proposer un photo-bioréacteur avec un système d’éclairage à LED perfectionné pour fournir un signal lumineux continu d’intensité variable, ainsi que pour paramétrer de manière précise la fréquence d’un signal lumineux modulé en intensité, et son rapport cyclique de fonctionnement. The first object of the present invention is to propose a photo-bioreactor with an improved LED lighting system to provide a continuous light signal of variable intensity, as well as to precisely configure the frequency of an intensity-modulated light signal. , and its operating duty cycle.
A cette fin l’invention propose un dispositif photo-bioréacteur, ledit dispositif comportant une cuve de culture, une unité de contrôle, et une source lumineuse à diodes électroluminescents LED configurable en intensité lumineuse et selon un mode d’éclairage flash, caractérisé en ce que le dispositif comporte en outre : To this end, the invention proposes a photo-bioreactor device, said device comprising a culture tank, a control unit, and a light source with LED electroluminescent diodes configurable in light intensity and according to a flash lighting mode, characterized in that that the device further comprises:
- un module de régulation de puissance configuré pour fournir un courant continu régulé analogiquement en tension, et faisant varier l’intensité d’un signal lumineux de la source lumineuse, et - a power regulation module configured to provide a direct current regulated analogously in voltage, and varying the intensity of a light signal from the light source, and
- un module de régulation flash configuré pour appliquer optionnellement une fréquence et un rapport cyclique audit signal lumineux, et dans lequel dispositif, le module de régulation flash est alimenté par le courant continu fourni par le module de régulation de puissance. - a flash regulation module configured to optionally apply a frequency and a duty cycle to said light signal, and in which device, the flash regulation module is powered by the direct current supplied by the power regulation module.
Le dispositif de l’invention est très avantageux en ce qu’il permet la mise en œuvre d’un éclairage LED dont l’intensité lumineuse est variable, mais que n’introduit pas un effet indésirable de lumière clignotant. En effet, l’utilisation d’un premier module de régulation en puissance permet de contrôler en amont l’intensité de la source lumineuse au moyen d’une régulation analogique, et donc d’assurer que le signal lumineux résultant est véritablement continu. Ensuite, le module de régulation flash permet de rajouter un effet clignotant avec une fréquence et rapport cyclique paramétrables, et ceci sur un signal déjà modulé en puissance. Il en résulte un système permettant de paramétrer de manière optimale la source lumineuse et adapté à la sensibilité des organismes photosynthétiques. The device of the invention is very advantageous in that it allows the implementation of LED lighting whose light intensity is variable, but which does not introduce an undesirable effect of flashing light. Indeed, the use of a first power regulation module makes it possible to control the intensity of the light source upstream by means of analog regulation, and therefore to ensure that the resulting light signal is truly continuous. Then, the flash regulation module allows you to add a flashing effect with a configurable frequency and duty cycle, and this on an already power modulated signal. The result is a system that allows the light source to be optimally configured and adapted to the sensitivity of photosynthetic organisms.
Dans un mode de réalisation préféré, la source de lumière est configurable au moyen de l’unité de contrôle, et ladite unité de contrôle est reliée au module de régulation de puissance au moyen d’un potentiomètre automatique permettant de commander analogiquement ledit module de régulation de puissance, et le module de régulation flash est configuré pour opérer sous commande numérique de ladite unité de contrôle. Avantageusement, cette conception permettra de configurer et piloter automatiquement les conditions d’éclairage. In a preferred embodiment, the light source is configurable by means of the control unit, and said control unit is connected to the power regulation module at means of an automatic potentiometer making it possible to analogously control said power regulation module, and the flash regulation module is configured to operate under digital control of said control unit. Advantageously, this design will make it possible to automatically configure and control the lighting conditions.
De préférence, la source lumineuse est configurable également en longueur d’onde et de manière variable sur un cycle de fonctionnement, et le dispositif comporte un module de régulation de puissance sous commande analogique pour chaque canal alimentant un ou des LED de ladite source lumineuse. Preferably, the light source is also configurable in wavelength and variably over an operating cycle, and the device comprises a power regulation module under analog control for each channel powering one or more LEDs of said light source.
Dans un mode de réalisation, la source lumineuse comporte au moins un capteur de lumière en communication avec ladite unité de contrôle, et cette dernière met en œuvre un rétrocontrôle d’une commande de puissance d’alimentation de la source lumineuse en fonction d’un flux lumineux mesuré par ledit capteur de lumière, et dans lequel ledit réservoir comporte de préférence une ou des parois revêtues d’une couche réfléchissante agencée pour réfléchir la lumière de ladite source lumineuse. Il est ainsi possible de contrôler d’avantage l’intensité lumineuse et améliorer l’utilisation de la lumière. In one embodiment, the light source comprises at least one light sensor in communication with said control unit, and the latter implements feedback control of a power supply control of the light source according to a luminous flux measured by said light sensor, and in which said reservoir preferably comprises one or more walls coated with a reflective layer arranged to reflect the light from said light source. It is thus possible to further control the light intensity and improve the use of light.
De préférence, ladite source lumineuse est intégrée à l’intérieur de la cuve de culture sous forme d’un tuyau lumineux vertical intégrant lesdits LED, et la source lumineuse comporte une colonne d’emplacement s’étendant à partir d’un fond de la cuve de culture et débouchant de manière étanche au niveau d’une fermeture supérieure de ladite cuve de culture, et dans lequel le tuyaux lumineux est hébergé à l’intérieur de ladite colonne d’emplacement, et une ouverture supérieure de la colonne d’emplacement est configurée comme une ouverture refermable indépendante, et permettant de conserver l’étanchéité d’un volume interne de la cuve de culture lors de son ouverture. Ce mode d’intégration de la source lumineuse permet l’accès et dépannage de la source lumineuse sans besoin d’arrêter la culture en cours, et sans compromettre la stérilité de la culture dans la cuve. Preferably, said light source is integrated inside the culture tank in the form of a vertical light pipe integrating said LEDs, and the light source comprises a location column extending from a bottom of the culture tank and opening in a sealed manner at an upper closure of said culture tank, and in which the light pipes are housed inside said location column, and an upper opening of the location column is configured as an independent closable opening, and allowing the sealing of an internal volume of the culture tank to be maintained when it is opened. This mode of integration of the light source allows access and troubleshooting of the light source without the need to stop the culture in progress, and without compromising the sterility of the culture in the tank.
De manière avantageuse, le dispositif de l’invention comporte un mécanisme de nettoyage d’une paroi externe de la source lumineuse en contact avec le milieu de culture, ledit mécanisme comportant une paire d’aimants disposés d’un côté et de l’autre de ladite paroi externe de la source lumineuse, et étant entrainés par un système de poulies pour se déplacer le long de la source lumineuse. Advantageously, the device of the invention comprises a mechanism for cleaning an external wall of the light source in contact with the culture medium, said mechanism comprising a pair of magnets arranged on one side and the other of said outer wall of the light source, and being driven by a system of pulleys to move along the light source.
En particulier, ledit système de poulies, et un aimant interne de ladite paire d’aimants peuvent être disposés à l’intérieur creux du tuyau de la source lumineuse, et le deuxième aimant de ladite paire d’aimants comporte un élément nettoyant en contact de la paroi externe de la colonne d’emplacement. Bien entendu ce système de nettoyage est compatible avec d’autres types de PBR intégrant les sources lumineuses dans un tuyaux creux, et quelque soit la configuration de leur système d’alimentation de LED. In particular, said pulley system, and an internal magnet of said pair of magnets can be arranged inside the hollow interior of the pipe of the light source, and the second magnet of said pair of magnets comprises a cleaning element in contact with the outer wall of the location column. Of course this cleaning system is compatible with other types of PBR integrating light sources in hollow pipes, and whatever the configuration of their LED power system.
Le dispositif de l’invention peut également comporter l’une ou toute des caractéristiques ci- après, et dans toute combinaison techniquement opérable : The device of the invention may also include one or all of the following characteristics, and in any technically operable combination:
- la cuve de culture comporte un ou plusieurs capteurs de lumière supplémentaires, tel que des photorésistances configurées pour mesurer un flux lumineux en différentes zones d’un volume interne de ladite cuve de culture recevant du milieu de culture ; - the culture tank comprises one or more additional light sensors, such as photoresistors configured to measure a light flux in different zones of an internal volume of said culture tank receiving culture medium;
- la cuve de culture est reliée à une cuve d’analyse intégrant des capteurs de pH, de nutriments, et un dispositif de mesure de la concentration cellulaire, tel qu’un turbidimètre ;- the culture tank is connected to an analysis tank integrating pH and nutrient sensors, and a device for measuring cell concentration, such as a turbidimeter;
- l’unité de contrôle comporte une interface utilisateur et une application configurée pour afficher un ensemble de mesures des capteurs du dispositif communiquant avec ladite unité de contrôle, et permettant de configurer le mode d’éclairage de la source lumineuse ; - the control unit comprises a user interface and an application configured to display a set of measurements from the sensors of the device communicating with said control unit, and making it possible to configure the lighting mode of the light source;
- le dispositif comporte une entrée inférieure de gaz, tel que de CO2, ladite entrée étant configuré pour injecter du gaz vers le haut de la cuve de culture, et de préférence le dispositif comporte des moyens de stérilisation d’air et de contrôle du débit d’injection d’air et son taux de CO2 ; - the device comprises a lower gas inlet, such as CO2, said inlet being configured to inject gas towards the top of the culture tank, and preferably the device includes means for sterilizing air and controlling the air injection flow and its CO2 rate;
- la cuve de culture intègre une pluralité des sources lumineuses internes sous forme de tuyaux lumineux, chaque tuyaux lumineux définissant une zone éclairée à l’intérieur de la cuve de culture, et ledit dispositif comporte également un réseau de bullage de gaz comportant des sorties positionnées en dehors des zones éclairées et agissant comme moyen de brassage de milieu de culture. - the culture tank integrates a plurality of internal light sources in the form of light pipes, each light pipe defining an illuminated zone inside the culture tank, and said device also comprises a gas bubbling network comprising positioned outlets outside of illuminated areas and acting as a means of mixing the culture medium.
L’invention concerne également un système de culture automatisé comportant un dispositif photo-bioréacteur comportant une cuve de culture, une cuve de mélange, une cuve de stockage d’eau, et une cuve de stockage de nutriments reliées entre elles par un circuit de tuyaux, et comportant une unité de contrôle comportant un processeur et une mémoire couplé audit processeur, et des instructions sauvegardées dans la mémoire et exécutées par le processeur pour contrôler les conditions opératoires dudit système de culture, caractérisé en ce que : The invention also relates to an automated cultivation system comprising a photo-bioreactor device comprising a cultivation tank, a mixing tank, a water storage tank, and a nutrient storage tank interconnected by a circuit of pipes , and comprising a control unit comprising a processor and a memory coupled to said processor, and instructions saved in the memory and executed by the processor to control the operating conditions of said culture system, characterized in that:
-la cuve de culture comporte une entrée reliée à la cuve de mélange pour son alimentation en milieu de culture, et -the culture tank has an inlet connected to the mixing tank for its supply of culture medium, and
- la cuve de mélange comporte une entrée reliée à la cuve de stockage d’eau, une entrée reliée à la cuve de stockage de nutriments, des moyens de brassage, des moyens de réglage de la température, et des moyens de contrôle du pH, et en ce que - the mixing tank comprises an inlet connected to the water storage tank, an inlet connected to the nutrient storage tank, mixing means, temperature adjustment means, and pH control means, and in that
-le système est configuré pour préparer le milieu de culture dans la cuve de mélange à une concentration, température et pH programmables au moyen de ladite unité de contrôle, et -le système comporte des moyens de transfert sous commande de l’unité de contrôle (tels qu’une pompe et un débitmètre ou une électrovanne) assignés à chacune des cuves du système pour activer et contrôler un volume de liquide ou de solide transféré entre lesdites cuves. -the system is configured to prepare the culture medium in the mixing tank at a programmable concentration, temperature and pH by means of said control unit, and -the system comprises transfer means under control of the control unit ( such as a pump and a flow meter or a solenoid valve) assigned to each of the tanks of the system to activate and control a volume of liquid or solid transferred between said tanks.
Cette configuration du système permet d’alimenter la cuve de culture avec un milieu de culture comportant une concentration, pH, et température contrôlée. Par exemple une culture déjà en cours dans le PBR ne sera pas stressée par l’apport de nouveau milieu de culture, ce dernier pouvant être fait à la même concentration, température et pH que le milieu dans la cuve de culture, ou au moins à des conditions proches. This configuration of the system makes it possible to supply the culture tank with a culture medium comprising a controlled concentration, pH, and temperature. For example, a culture already in progress in the PBR will not be stressed by the addition of new culture medium, the latter being able to be done at the same concentration, temperature and pH as the medium in the culture tank, or at least at similar conditions.
De même, cette configuration permet de programmer l’unité de contrôle avec des programmes de culture automatisées comportant des instructions sauvegardées pour maintenir ou modifier certaines conditions de culture dans la cuve de culture. En particulier, dans ce mode de réalisation la cuve de culture est reliée à une cuve d’analyse en communication avec l’unité de contrôle et intégrant des capteurs de pH, d’au moins un nutriment, et un dispositif de mesure de la concentration cellulaire, tel qu’un turbidimètre. Ainsi, l’unité de contrôle comporte un programme avec des instructions sauvegardées pour activer l’introduction du milieu de culture contenu dans la cuve de mélange en fonction des paramètres mesurés dans la cuve d’analyse, tels qu’une concentration cellulaire, un pH ou une concentration de nutriments.Likewise, this configuration allows the control unit to be programmed with automated culture programs with saved instructions to maintain or modify certain culture conditions in the culture tank. In particular, in this embodiment the culture tank is connected to an analysis tank in communication with the control unit and integrating pH sensors, at least one nutrient, and a concentration measuring device cellular, such as a turbidimeter. Thus, the control unit includes a program with saved instructions to activate the introduction of the culture medium contained in the mixing tank according to the parameters measured in the analysis tank, such as a cell concentration, a pH or a concentration of nutrients.
De préférence, la cuve de culture comporte également une entrée reliée à au moins une cuve de pH comportant une solution d’ajustement de pH, et une entrée de CO2 reliée à une source de CO2, et l’unité de contrôle comporte un programme comportant des instructions sauvegardées pour réguler le pH dans ladite cuve de culture en commandant l’introduction de la solution de pH et/ou de CO2 en activant des moyens de transfert assignés respectivement à ladite source de CO2 et cuve de pH. Le mode de régulation de pH peut être choisi par l’utilisateur. Preferably, the culture tank also includes an inlet connected to at least one pH tank comprising a pH adjustment solution, and a CO2 inlet connected to a CO2 source, and the control unit includes a program comprising saved instructions for regulating the pH in said culture tank by controlling the introduction of the pH and/or CO2 solution by activating transfer means assigned respectively to said CO2 source and pH tank. The pH regulation mode can be chosen by the user.
Dans un mode de réalisation du système, la cuve de culture comporte une sortie reliée à une cuve de récolte, et des moyens de transfert sous commande de l’unité de contrôle pour transférer un volume de liquide contenu dans la cuve de culture vers ladite cuve de récolte, et dans lequel l’unité de contrôle comporte un programme de culture permettant de définir un temps, une fréquence et un volume de liquide à extraire de ladite cuve de culture vers la cuve de récolte et/ou un volume de liquide à injecter dans ladite cuve de culture à partir de la cuve de mélange. In one embodiment of the system, the culture tank comprises an outlet connected to a harvest tank, and transfer means under control of the control unit to transfer a volume of liquid contained in the culture tank to said tank harvesting, and in which the control unit comprises a culture program making it possible to define a time, a frequency and a volume of liquid to be extracted from said culture tank towards the tank harvest and/or a volume of liquid to be injected into said culture tank from the mixing tank.
Le système de l’invention permet également la mise en marche automatique du système, y compris le nettoyage et le cycle de stérilisation des composants du système. A cette fin, les moyens de transfert entre les cuves sont bidirectionnels et l’unité de contrôle comporte un programme de rinçage comportant des instructions sauvegardées pour activer des moyens de transfert assignés à la cuve de stockage d’eau et injecter un liquide dans la cuve de mélange et rincer un ensemble des cuves du système de culture à partir dudit liquide injecté dans la cuve de mélange, en actionnant séquentiellement des moyens de transfert assignés à chacune desdites cuves du système dans un ordre préconfiguré, et pour vider le liquide injecté dans le système à partir de la cuve de récolte d’algues. The system of the invention also allows automatic start-up of the system, including cleaning and sterilization cycle of the system components. To this end, the transfer means between the tanks are bidirectional and the control unit includes a rinsing program comprising saved instructions for activating transfer means assigned to the water storage tank and injecting a liquid into the tank mixing and rinsing a set of tanks of the culture system from said liquid injected into the mixing tank, by sequentially operating transfer means assigned to each of said tanks of the system in a preconfigured order, and to empty the injected liquid into the system from the algae harvesting tank.
Avantageusement, un produit stérilisant peut être rajouté dans la cuve de stockage d’eau, ou éventuellement dans la cuve de mélange, et de sorte que le cycle de rinçage assure également la stérilisation du système. De préférence, l’unité de contrôle comporte un cycle de stérilisation dédié, et dans lequel il est défini un temps de passage du liquide stérilisant dans chaque cuve du système. Dans un autre mode de réalisation, la stérilisation est réalisée par injection d’un gaz ou vapeur dans les cuves et tuyaux du système. Advantageously, a sterilizing product can be added to the water storage tank, or possibly to the mixing tank, and so that the rinsing cycle also ensures the sterilization of the system. Preferably, the control unit includes a dedicated sterilization cycle, in which a time for the sterilizing liquid to pass through each tank of the system is defined. In another embodiment, sterilization is carried out by injecting a gas or steam into the tanks and pipes of the system.
De plus, le système comporte une interface utilisateur permettant de sélectionner un programme de culture avec une durée de culture, un volume et une fréquence d’injection et extraction de volume de milieu de culture dans et à partir de la cuve de culture, ainsi qu’affichant les mesures d’un ensemble de capteurs de température, de lumière de pH, de concentration cellulaire et de nutriments dudit système de culture. L’interface peut être reliée physiquement à l’unité de contrôle et/ou être une application dans un terminal mobile ou ordinateur. Additionally, the system includes a user interface for selecting a culture program with culture duration, volume, and frequency of volume injection and extraction of culture medium into and from the culture vessel, as well as 'displaying measurements from a set of temperature, pH light, cell concentration and nutrient sensors of said culture system. The interface can be physically connected to the control unit and/or be an application in a mobile terminal or computer.
Enfin, l’unité de contrôle comporte également un module de communication, et le système comporte un serveur distant hébergeant une base de données, ladite base de données comportant de programmes de fonctionnement du système de culture téléchargeables et exécutables par l’unité de contrôle. De préférence, le module de communication est configuré également pour transmettre à ladite base de données des données associées à un suivi d’une culture en cours pour son stockage et mise à disposition privé ou publique. Finally, the control unit also includes a communication module, and the system includes a remote server hosting a database, said database comprising operating programs of the cultivation system downloadable and executable by the control unit. Preferably, the communication module is also configured to transmit to said database data associated with monitoring of a current crop for its storage and private or public availability.
D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés. Other advantages, aims and particular characteristics of the present invention will emerge from the description which follows, given for explanatory and in no way limiting purposes, with reference to the appended drawings.
Présentation de figures Presentation of figures
[Fig. 1] Illustre une représentation schématique d’un système de culture automatisé intégrant un dispositif photo-bioréacteur selon l’invention. [Fig. 1] Illustrates a schematic representation of an automated culture system integrating a photo-bioreactor device according to the invention.
[Fig. 2] Illustre schématiquement la régulation en alimentation et contrôle de la source lumineuse du dispositif photo-bioréacteur de l’invention. [Fig. 2] Schematically illustrates the power regulation and control of the light source of the photo-bioreactor device of the invention.
[Fig. 3] Illustre schématiquement le contrôle d’une source lumineuse à longueur d’onde configurable selon l’invention. [Fig. 3] Schematically illustrates the control of a light source with configurable wavelength according to the invention.
[Fig. 4] Illustre schématiquement une source lumineuse interne comportant un système de nettoyage selon l’invention. [Fig. 4] Schematically illustrates an internal light source comprising a cleaning system according to the invention.
[Fig. 5] Illustre schématiquement l’extraction du tuyau lumineux et une partie du système de nettoyage d’une colonne d’emplacement de source selon l’invention. [Fig. 5] Schematically illustrates the extraction of the light pipe and part of the cleaning system of a source location column according to the invention.
[Fig. 6 Illustre schématiquement une vue de face d’un dispositif photo-bioréacteur intégrant plusieurs sources lumineuses selon l’invention. [Fig. 6 Schematically illustrates a front view of a photo-bioreactor device integrating several light sources according to the invention.
[Fig. 7] Illustre schématiquement une vue de haut d’un dispositif photo-bioréacteur selon la figure 6. [Fig. 7] Schematically illustrates a top view of a photo-bioreactor device according to Figure 6.
[Fig. 8] Illustre un mode de réalisation de l’interface de suivi et contrôle du dispositif de l’invention. Description détaillée de modes de réalisation de l’invention [Fig. 8] Illustrates an embodiment of the monitoring and control interface of the device of the invention. Detailed description of embodiments of the invention
La présente invention a comme but de proposer un nouveau photo-bioréacteur permettant une maitrise optimale de l’apport en lumière, ainsi qu’une utilisation optimale de cette dernière. En particulier, l’invention vise un PBR avec un système d’éclairage à LED optimisé pour fournir un éclairage continu proche d’un éclairage naturel, et pouvant être optionnellement régulé avec une fréquence et un rapport cyclique souhaité. The aim of the present invention is to propose a new photo-bioreactor allowing optimal control of the supply of light, as well as optimal use of the latter. In particular, the invention aims at a PBR with an LED lighting system optimized to provide continuous lighting close to natural lighting, and which can be optionally regulated with a desired frequency and duty cycle.
Un autre objectif est que le photo-bioréacteur permette une étude approfondie et précis de paramètres de culture, tout en permettant une culture aisée et à haut rendement. Another objective is that the photo-bioreactor allows an in-depth and precise study of culture parameters, while allowing easy and high-yield culture.
Un autre objectif est que le photo-bioréacteur soit apte à une culture automatisée en continu ou semi-continu des micro-organismes photosynthétiques, notamment les microalgues.Another objective is for the photo-bioreactor to be suitable for continuous or semi-continuous automated cultivation of photosynthetic microorganisms, in particular microalgae.
A cette fin l’invention propose un photo-bioréacteur intégrant une régulation et modulation précise du signal lumineux. La figure 1 illustre un mode de réalisation préféré d’un système de culture intégrant un photo-bioréacteur 100 selon l’invention, dit aussi dispositif 100 pour la culture de microorganismes photosynthétiques et comportant une cuve de culture C4 présentant une forme de colonne vertical. La cuve C4 définit un volume interne pour la culture desdits microorganismes et sa forme n’est pas limitée et peut avoir une section circulaire ou polygonale, tel que carrée. To this end, the invention proposes a photo-bioreactor integrating precise regulation and modulation of the light signal. Figure 1 illustrates a preferred embodiment of a culture system integrating a photo-bioreactor 100 according to the invention, also called device 100 for the cultivation of photosynthetic microorganisms and comprising a culture tank C4 having the shape of a vertical column. The tank C4 defines an internal volume for the cultivation of said microorganisms and its shape is not limited and can have a circular or polygonal section, such as square.
La source lumineuse 2 est configurable en intensité, longueur d’onde, et mode d’éclairage selon les paramètres souhaités par un utilisateur. Les modes d’éclairage programmables de manière non limitative peuvent être i) continu, la source lumineuse est activée pour un temps indéfini ou programmable, ii) intermittent, la source lumineuse est activée est désactivée selon des cycles d’activité et inactivité fixes ou variables, et iii) flash, la source lumineuse est activée à haute intensité avec une fréquence et rapport cyclique prédéfinis. Le photo bioréacteur permettra ainsi d’étudier l’effet du mode d’éclairage de manière précise et de le contrôler afin d’obtenir les meilleurs rendements de biomasse ou de production d’une molécule d’intérêt, soit d’optimiser la consommation d’énergie. Par exemple, il a été reconnu dans la littérature scientifique, que le mode d’illumination flash à haute intensité permet d’obtenir plus de 50% de réduction de consommation énergétique. De même, le mode flash peut avoir un effet sur les cinétiques de croissance et le métabolisme cellulaire. Light source 2 is configurable in intensity, wavelength, and lighting mode according to the parameters desired by a user. The non-limiting programmable lighting modes can be i) continuous, the light source is activated for an indefinite or programmable time, ii) intermittent, the light source is activated and deactivated according to fixed or variable activity and inactivity cycles , and iii) flash, the light source is activated at high intensity with a predefined frequency and duty cycle. The photo bioreactor will thus make it possible to study the effect of the lighting mode precisely and to control it in order to obtain the best yields of biomass or production of a molecule of interest, or to optimize the consumption of 'energy. For example, it has been recognized in the scientific literature that the high intensity flash illumination mode makes it possible to obtain more than 50% reduction in energy consumption. Likewise, flash mode can have an effect on growth kinetics and cellular metabolism.
De manière avantageuse, l’invention propose de contrôler l’intensité de la source lumineuse 2 à LED au moyen d’un courant continu régulé analogiquement en tension (fig. 2). Ce type de régulation permet d’assurer un flux lumineux ne variant pas son voltage en fréquence, et donc fournissant véritablement un signal lumineux continu. Ceci est particulièrement important avec l’utilisation des LED, dont l’intensité d’éclairage est traditionnellement contrôlée en puissance par une régulation numérique PWM, et qui se traduit dans le hachage du signal lumineux. En effet pour réguler l’intensité lumineuse d’une LED avec une régulation numérique, en général on fixe d’abord une fréquence, tel que 100 Hz, et on y ajoute un rapport cyclique lumière obscurité, dit en anglais duty cycle. Dans cet exemple, une fréquence de 100 Hz et un duty cycle de 50% se traduit dans un courant se coupant tous les 5 millisecondes. C’est-à-dire, qu’avec la régulation PWM le signal lumineux est discontinu, et formé par des flashs lumineux non visibles à l’œil humain. Ces microcoupures dans le signal lumineux sont moyennées par notre œil pour donner une intensité globale plus grande et la perception d’un éclairage continu. Les microalgues sont toutefois capables de récolter la lumière à l’ordre du picoseconde, et sont donc sensibles à ces flashs lumineux invisibles à l’œil humain. Advantageously, the invention proposes to control the intensity of the LED light source 2 by means of a direct current regulated analogously in voltage (fig. 2). This type of regulation ensures a luminous flux that does not vary its voltage in frequency, and therefore truly provides a continuous light signal. This is particularly important with the use of LEDs, whose lighting intensity is traditionally controlled in power by digital PWM regulation, and which is reflected in the chopping of the light signal. In fact, to regulate the light intensity of an LED with digital regulation, we generally first set a frequency, such as 100 Hz, and add a light-dark cyclical ratio, known in English as a duty cycle. In this example, a frequency of 100 Hz and a duty cycle of 50% results in a current cutting off every 5 milliseconds. That is to say, with PWM regulation the light signal is discontinuous, and formed by flashes of light not visible to the human eye. These microcuts in the light signal are averaged by our eye to give a greater overall intensity and the perception of continuous lighting. Microalgae are, however, capable of harvesting light on the order of picoseconds, and are therefore sensitive to these flashes of light invisible to the human eye.
Pour que les micro algues puissent accéder à une lumière continue d’intensité constante, l’invention propose d’intégrer un modulateur de régulation de puissance dédié à contrôler l’intensité lumineuse (et optionnellement la longueur d’onde), et étant configuré pour fournir ledit courant continu régulé analogiquement en tension pour alimenter la source lumineuse. Dans un mode de réalisation préféré et afin de pouvoir programmer et commander la source lumineuse à distance, le module de régulation de puissance est piloté par l’unité de contrôle au moyen d’un potentiomètre automatique permettant d’appliquer ladite régulation analogique faisant varier l’intensité d’éclairage (fig. 2). De manière particulière, l’invention propose d’intégrer également un module de régulation flash disposé en aval du module de régulation de puissance pour fixer optionnellement une fréquence et le rapport cyclique au courant fourni par le régulateur de puissance. Le module de régulation flash sera donc activé dans le mode de fonctionnement flash ou intermittent. So that the micro algae can access continuous light of constant intensity, the invention proposes to integrate a power regulation modulator dedicated to controlling the light intensity (and optionally the wavelength), and being configured to supply said direct current analogously regulated in voltage to power the light source. In a preferred embodiment and in order to be able to program and control the light source remotely, the power regulation module is controlled by the control unit by means of an automatic potentiometer making it possible to apply said analog regulation varying the lighting intensity (fig. 2). In particular, the invention proposes to also integrate a flash regulation module arranged downstream of the power regulation module to optionally set a frequency and the duty cycle to the current supplied by the power regulator. The flash regulation module will therefore be activated in the flash or intermittent operating mode.
La figure 2 illustre schématiquement la configuration du dispositif proposée par l’invention pour contrôler la source lumineuse 2. En particulier, l’unité centrale commande le réglage de l’intensité de l’éclairage au moyen d’une régulation analogique piloté au moyen d’un potentiomètre automatique. Le mode d’éclairage flash est ensuite activé au moyen d’un module de régulation flash dédié et par une régulation numérique générique de type PWM. Par exemple, la régulation analogique de la puissance peut être mise en œuvre au moyen du driver RCD-24-1 .20, soit au moyen d’un transistor Mosfet tel que le IRLZ34NPBF accompagné d’une ou plusieurs résistances. Ce dernier composant peut être utilisé également comme module de régulation de flash. Avantageusement, des composants haute fréquence seront choisis pour le module de régulation flash afin d’assurer un bon fonctionnement du mode d’éclairage flash à haute intensité et haute fréquence, par exemple les mosfet à base de nitrure de gallium et des oscillateurs haute fréquence tels que les oscillateurs à diode Gunn, et les oscillateurs YIG seront privilégiés. De même, un module de contrôle d’alimentation peut être également intégré en amont de la source lumineuse 2, permettant une vérification finale de la puissance fournie à ladite source lumineuse pour avoir un contrôle encore plus fin des conditions d’éclairage. Figure 2 schematically illustrates the configuration of the device proposed by the invention for controlling the light source 2. In particular, the central unit controls the adjustment of the intensity of the lighting by means of analog regulation controlled by means of 'an automatic potentiometer. The flash lighting mode is then activated by means of a dedicated flash regulation module and by generic PWM type digital regulation. For example, analog power regulation can be implemented using the RCD-24-1.20 driver, or using a Mosfet transistor such as the IRLZ34NPBF accompanied by one or more resistors. This last component can also be used as a flash regulation module. Advantageously, high frequency components will be chosen for the flash regulation module in order to ensure proper operation of the flash lighting mode at high intensity and high frequency, for example mosfets based on gallium nitride and high frequency oscillators such that Gunn diode oscillators, and YIG oscillators will be preferred. Likewise, a power control module can also be integrated upstream of the light source 2, allowing a final verification of the power supplied to said light source to have even finer control of the lighting conditions.
Quel que soit le mode de réalisation, le contrôle de l’intensité lumineuse se fait par pilotage analogique et le contrôle du mode flash par pilotage numérique Whatever the embodiment, the light intensity is controlled by analog control and the flash mode is controlled by digital control.
De préférence, le dispositif de l’invention comporte une fonction de rétrocontrôle de l’intensité lumineuse permettant de corriger l’apport en flux lumineux en temps réel. En particulier, la source lumineuse intègre un capteur de lumière configuré pour transmettre à l’unité de contrôle l’intensité lumineuse détectée en conditions d’opération, et de sorte que l’unité de contrôle modifie une commande de puissance du module de régulation pour que l’intensité lumineuse éclairée à un temps t soit égal à l’intensité lumineuse configurée. En effet, l’intensité lumineuse fourni par une LED est variable à une même puissance d’alimentation en fonction de la température ambiante. Une augmentation de la température se traduit ainsi dans une réduction de la quantité de flux lumineux apporté par une LED. Les couleurs de l’ambre au rouge dits « AIGalnP » apportés par des LEDs en aluminium gallium indium phosphide sont les plus sensibles à cette diminution de flux lumineux, et les couleurs allant du bleu au vert et du blanc (à base de « InGaN ») sont les moins sensibles. Par conséquent, un rétrocontrôle de l’apport en flux lumineux est très avantageux pour les cultures programmées avec des longueurs d’onde sensibles à ce phénomène, ou avec des variations programmées de longueurs d’onde. Preferably, the device of the invention includes a light intensity feedback function making it possible to correct the luminous flux input in real time. In particular, the light source integrates a light sensor configured to transmit to the control unit the light intensity detected in operating conditions, and so that the control unit modifies a power command of the regulation module to that the light intensity illuminated at a time t is equal to the configured light intensity. Indeed, the light intensity provided by an LED is variable at the same power supply depending on the ambient temperature. An increase in temperature thus results in a reduction in the quantity of luminous flux provided by an LED. The colors from amber to red called “AIGalnP” provided by aluminum gallium indium phosphide LEDs are the most sensitive to this reduction in luminous flux, and the colors ranging from blue to green and white (based on “InGaN” ) are the least sensitive. Consequently, feedback control of the light flux supply is very advantageous for crops programmed with wavelengths sensitive to this phenomenon, or with programmed variations in wavelengths.
Dans un mode de réalisation préféré, la source d’éclairage est configurable en longueur d’onde au moyen des LED multicanal, tel que des LED RGB permettant de régler une longueur d’onde en fonction de l’alimentation d’onde de chaque canal. Dans ce mode de réalisation, l’invention propose de mettre en œuvre un module régulateur de puissance pour chaque canal à alimenter de l’éclairage LED et de sorte à pouvoir paramétrer tous les canaux et créer un spectre d’émission sur mesure, notamment avec une fréquence et rapport cyclique spécifique. Un module de régulation flash et un module de contrôle d’alimentation est également intégré pour chaque canal à contrôler. Il est ainsi possible de contrôler l’intensité et un mode d’éclairage flash de chaque longueur d’onde programmé. Dans une autre variante de réalisation non illustrée, il est mis en œuvre un seul module de régulation flash placé en amont des modules de régulation de puissance, permettant ainsi de limiter le nombre de composants totaux. Ce dernier mode de réalisation est adapté lorsqu’un même signal flash est mis œuvre pour tous les canaux de LED. In a preferred embodiment, the lighting source is configurable in wavelength by means of multichannel LEDs, such as RGB LEDs making it possible to adjust a wavelength according to the wave supply of each channel . In this embodiment, the invention proposes to implement a power regulator module for each channel to be supplied with LED lighting and so as to be able to configure all the channels and create a tailor-made emission spectrum, in particular with a specific frequency and duty cycle. A flash regulation module and a power control module are also integrated for each channel to be controlled. It is thus possible to control the intensity and a flash lighting mode of each programmed wavelength. In another variation of embodiment not illustrated, a single flash regulation module is implemented placed upstream of the power regulation modules, thus making it possible to limit the number of total components. This last embodiment is suitable when the same flash signal is used for all LED channels.
Afin d’optimiser l’utilisation de la lumière, l’invention propose également de revêtir une surface interne de la cuve de culture C4 avec une couche réfléchissant de lumière, de sorte que la lumière non absorbée par le milieu de culture soit à nouveau dirigée vers le milieu de culture. De préférence, cette couche réfléchissante est présente sur toute la paroi interne verticale du réservoir, ou au moins sur une partie et de sorte à laisser une ou plusieurs fenêtres pour visualiser l’intérieur de la cuve de culture. In order to optimize the use of light, the invention also proposes to coat an internal surface of the culture tank C4 with a light-reflecting layer, so that the light not absorbed by the culture medium is directed again towards the culture medium. Preferably, this reflective layer is present on the entire vertical internal wall of the tank, or at least on a part and so as to leave one or more windows to visualize the interior of the culture tank.
Selon le mode de réalisation illustré, le dispositif 100 intègre la source lumineuse 2 à l’intérieur de la cuve de culture C4 sous forme d’un tuyau lumineux émettant de la lumière à 360°, et s’étendant le long d’un axe central et longitudinal de la cuve de culture C4. Dans un autre mode de réalisation, la source d’éclairage peut être située à l’extérieur de la cuve de culture C4. La source lumineuse (fig. 4) est composée par un tuyau 21 transparent comportant un intérieur creux intégrant des éléments lumineux 22 tels que des diodes électroluminescentes LED disposés autour d’une paroi dudit tuyau. Ces éléments lumineux sont par exemple intégrés sous forme d’un enroulement hélicoïdale ou sous forme de rubans verticaux. According to the illustrated embodiment, the device 100 integrates the light source 2 inside the culture tank C4 in the form of a light pipe emitting light at 360°, and extending along an axis central and longitudinal of the culture tank C4. In another embodiment, the lighting source can be located outside the culture tank C4. The light source (fig. 4) is composed of a transparent pipe 21 having a hollow interior integrating light elements 22 such as LED light-emitting diodes arranged around a wall of said pipe. These light elements are for example integrated in the form of a helical winding or in the form of vertical ribbons.
L’invention propose également un système de nettoyage adapté à son utilisation avec une source lumineuse interne. Tel qu’illustré à la figure 4, le tuyau 21 creux de la source lumineuse héberge une partie du système de nettoyage 60 de la source lumineuse. Le système de nettoyage 60, comporte une paire d’aimants 26, 28 agencés d’une part et de l’autre des éléments lumineux. En particulier, un premier aimant 26 interne est réalisé sous forme d’une barre aimantée disposée à l’intérieur creux du tuyau 21 et étant entraîné le long du tuyau 21 par un système de poulies 24, dont un câble 25 de guidage suit un centre axial et longitudinal du tuyau 21 . Le deuxième aimant 28 est situé d’un côté extérieur du tuyau 21 et comporte une paroi interne face à la source lumineuse et au premier aimant, ladite paroi interne étant pourvue au moins partiellement d’une couche nettoyante 29 dont la forme épouse le contour de ladite source lumineuse pour la nettoyer lors de son mouvement. De préférence, la paroi interne du deuxième aimant comporte également une portion280 sans couche nettoyante afin d’optimiser la force d’aimantation avec l’aimant interne. De préférence, le système de poulies 24 assurant le mouvement du système est entraîné par un ou plusieurs moteurs, et de sorte à automatiser le nettoyage d’une face extérieure de la source lumineuse 2. The invention also provides a cleaning system suitable for use with an internal light source. As illustrated in Figure 4, the hollow pipe 21 of the light source houses part of the cleaning system 60 of the light source. The cleaning system 60 comprises a pair of magnets 26, 28 arranged on one side and on the other of the light elements. In particular, a first internal magnet 26 is produced in the form of a magnetic bar placed inside the hollow interior of the pipe 21 and being driven along the pipe 21 by a system of pulleys 24, of which a guide cable 25 follows a center axial and longitudinal of the pipe 21. The second magnet 28 is located on an exterior side of the pipe 21 and has an internal wall facing the light source and the first magnet, said internal wall being provided at least partially with a cleaning layer 29 whose shape follows the contour of said light source to clean it during its movement. Preferably, the internal wall of the second magnet also includes a portion 280 without cleaning layer in order to optimize the magnetization force with the internal magnet. Preferably, the pulley system 24 ensuring the movement of the system is driven by one or more motors, and so as to automate the cleaning of an exterior face of the light source 2.
Avantageusement, la source lumineuse 2 est conçue pour permettre le remplacement d’un élément lumineux et/ou le dépannage du système de nettoyage 60 sans compromettre la stérilité de la culture en cours. A cette fin, la source lumineuse comporte une colonne d’emplacement 27 hébergeant ledit tuyaux lumineux 21 , ladite colonne d’emplacement s’étendant à partir d’un fond de la cuve de culture C4 et débouchant de manière étanche au niveau d’une fermeture 11 supérieure de la cuve de culture. Tel qu’illustré à droite de la fig. 5, le tuyau 21 peut être extrait du réservoir sans compromettre l’étanchéité et la stérilité d’un volume interne de la cuve de culture. Des joints d’étanchéité sont donc prévus à la jonction de la colonne d’emplacement et la fermeture 11 de la cuve de culture, et les colonnes d’emplacement sont pourvues de fermetures indépendantes de la fermeture 11. Il est donc possible d’accéder à l'intérieur de la cuve d’emplacement en retirant uniquement la fermeture de la colonne d’emplacement, et si besoin extraire le tuyau lumineux et les éléments du système de nettoyage à son intérieur. Dans un mode de réalisation préféré, la fermeture de la cuve de culture comporte également de sous-ouvertures permettant l’extraction du deuxième aimant externe. Advantageously, the light source 2 is designed to allow the replacement of a light element and/or the troubleshooting of the cleaning system 60 without compromising the sterility of the culture in progress. To this end, the light source comprises a location column 27 housing said light pipes 21, said location column extending from a bottom of the culture tank C4 and opening out in a sealed manner at the level of a upper closure 11 of the culture tank. As shown on the right of fig. 5, the pipe 21 can be extracted from the tank without compromising the tightness and sterility of an internal volume of the culture tank. Seals are therefore provided at the junction of the location column and the closure 11 of the culture tank, and the location columns are provided with closures independent of the closure 11. It is therefore possible to access inside the location tank by removing only the location column closure, and if necessary extract the light pipe and the elements of the cleaning system inside it. In a preferred embodiment, the closure of the culture tank also includes sub-openings allowing the extraction of the second external magnet.
Un autre objectif de l’invention est d’optimiser le photo-bioréacteur pour permettre un suivi et un contrôle optimisé d’une culture de microorganismes photosynthétiques. A cette fin le réservoir du dispositif peut comporter des moyens de régulation de la température implémentés comme une double enveloppe 3 configurée pour recevoir à son intérieure un fluide pour la régulation de la température. Cette double enveloppe est présente aux parois verticales de la cuve de culture. Tel qu’illustré sur la figure 1 , les moyens de régulation de la température comportent une cuve de chauffage C5 extérieure pourvue des moyens de chauffage et/ou refroidissement 31 et une entrée 32 et sortie 33 de fluide relié à un espace interne de la double enveloppe. Dans un autre mode de réalisation, la cuve de culture intègre un serpentin extérieur ou intérieur comme moyen de régulation de température. Another objective of the invention is to optimize the photo-bioreactor to allow optimized monitoring and control of a culture of photosynthetic microorganisms. To this end, the reservoir of the device may include temperature regulation means implemented as a double envelope 3 configured to receive inside a fluid for temperature regulation. This double envelope is present on the vertical walls of the culture tank. As illustrated in Figure 1, the temperature regulation means comprise an external heating tank C5 provided with heating and/or cooling means 31 and an inlet 32 and outlet 33 of fluid connected to an internal space of the double envelope. In another embodiment, the culture tank integrates an exterior or interior coil as a means of temperature regulation.
La cuve de culture C4 de l’invention est également pourvue d’au moins deux zones de prélèvement reliées par un circuit de conduits 44 à une cuve d’analyse 40 externe à ladite cuve de culture C4. Les zones de prélèvement peuvent être implémentés au niveau du réseau de bullage. La cuve d’analyse C8 comporte des capteurs de pH et de nutriments (glucose, minéraux, vitamines), et un dispositif de mesure de la concentration cellulaire. La concentration cellulaire est calculée de manière connue par rapport à la densité optique du milieu de culture, et au moyen d’un turbidimètre. Tel qu’illustré sur la figure 1 , le prélèvement est fait à l’aide d’une pompe P, et le circuit de conduits 44 de prélèvement est configuré pour retourner le milieu de culture prélevé à la cuve de culture. The C4 culture tank of the invention is also provided with at least two sampling zones connected by a circuit of conduits 44 to an analysis tank 40 external to said C4 culture tank. The sampling zones can be implemented at the level of the bubble network. The C8 analysis tank includes pH and nutrient sensors (glucose, minerals, vitamins), and a cell concentration measurement device. The cell concentration is calculated in a known manner relative to the optical density of the culture medium, and using a turbidimeter. As illustrated in Figure 1, the sampling is done using a pump P, and the sampling conduit circuit 44 is configured to return the culture medium taken to the culture tank.
Afin de permettre un suivi approfondi des cinétiques de croissance dans le milieu de culture, la cuve de culture C4 intègre à son intérieur des photorésistances 5 permettant de mesurer un flux lumineux à différentes zones du milieu de culture, et reflétant la concentration cellulaire dans lesdites zones. Il est ainsi possible d’obtenir une cartographie 3D de la concentration cellulaire dans les différentes zones de la cuve de culture. In order to allow in-depth monitoring of growth kinetics in the culture medium, the C4 culture tank integrates inside photoresistors 5 making it possible to measure a light flux in different zones of the culture medium, and reflecting the cellular concentration in said zones. . It is thus possible to obtain a 3D map of the cell concentration in the different zones of the culture tank.
Le dispositif de l’invention peut également être adapté pour des grands volumes de culture. La cuve de culture a donc un volume plus important et l’invention propose d’intégrer une pluralité des sources lumineuses 2 à son intérieur afin d’éclairer ledit volume. La figure 6 illustre schématiquement la géométrie d’un tel photo bioréacteur vue de face et la figure 7 une section transversale vue du haut. Les sources lumineuses 2 sont positionnées de manière à que leurs zones éclairées 220 soient adjacentes et recouvrent le plus grand volume de milieu de culture possible. Lorsque les zones éclairées ne se chevauchent pas, des zones dites sombres 230 sont formées entre les zones éclairées 220. L’invention propose de configurer le réseau de bullage 6 d’injection de CO2 pour que les sorties de gaz 61 soient positionnées au niveau des zones sombres 230, et le gaz injecté limite le temps de passage des microorganismes dans les zones sombres. Selon le mode de réalisation illustré, le réseau de bullage 6 forme un quadrillage horizontale, et les sorties de gaz 61 sont positionnées au niveau des coins du quadrillage. Dans ce mode de réalisation, les différentes sources lumineuses 2 peuvent être configurées avec des longueurs d’onde différents, et de sorte à permettre la culture des microorganismes avec des besoins différents. The device of the invention can also be adapted for large cultivation volumes. The culture tank therefore has a larger volume and the invention proposes to integrate a plurality of light sources 2 inside its interior in order to illuminate said volume. Figure 6 schematically illustrates the geometry of such a photo bioreactor seen from the front and Figure 7 a cross section seen from the top. The light sources 2 are positioned so that their illuminated areas 220 are adjacent and cover the largest volume of culture medium possible. When the illuminated zones do not overlap, so-called dark zones 230 are formed between the illuminated zones 220. The invention proposes to configure the CO2 injection bubble network 6 so that the gas outlets 61 are positioned at the level of the dark zones 230, and the injected gas limits the passage time of microorganisms in the dark zones. According to the illustrated embodiment, the bubble network 6 forms a horizontal grid, and the gas outlets 61 are positioned at the corners of the grid. In this embodiment, the different light sources 2 can be configured with different wavelengths, and so as to allow the cultivation of microorganisms with different needs.
Selon un objectif de l’invention, le photo-bioréacteur peut être conçu comme un système de culture comportant une pluralité de cuves permettant une culture automatisée ou semi- automatisée. Avantageusement, le système de culture est apte à la culture automatisée de microorganismes exigeants ou sensibles, et pour tout type de culture, tel qu’en continu, en lot ou en lot alimenté « fed batch ». L’invention propose notamment un système de culture évitant les changements brutaux des conditions de culture lors des additions de composés à la cuve de culture C4. According to one objective of the invention, the photo-bioreactor can be designed as a culture system comprising a plurality of tanks allowing automated or semi-automated culture. Advantageously, the culture system is suitable for the automated cultivation of demanding or sensitive microorganisms, and for any type of culture, such as continuous, batch or fed batch. The invention notably proposes a culture system avoiding sudden changes in culture conditions when compounds are added to the C4 culture tank.
A ces fins, le système de l’invention comporte une cuve de mélange C3 configurée pour préparer préalablement le milieu de culture à injecter dans la cuve de culture C4. La cuve de mélange comporte notamment des moyens de brassage, des moyens de chauffage tels que des tapis chauffants TC1 , TC2, des moyens d’ajustement de pH C10, C11 , un capteur de température T1 , et une cuve d’analyse C5 de milieu de culture intégrant au moins un capteur de pH. Avantageusement, l’unité de contrôle permet d’actionner et contrôler l’ensemble des moyens de la cuve de mélange, et de sorte à définir et contrôler un volume, une concentration, une température et pH du milieu de culture à préparer et à injecter dans la cuve de culture. La culture dans le PBR ne sera donc pas stressée par l’apport de nouveau milieu de culture, ce dernier pouvant être fait à la même concentration, température et pH que le milieu dans la cuve de culture, ou au moins à des conditions proches. For these purposes, the system of the invention comprises a mixing tank C3 configured to previously prepare the culture medium to be injected into the culture tank C4. The mixing tank comprises in particular mixing means, heating means such as heating mats TC1, TC2, pH adjustment means C10, C11, a temperature sensor T1, and a medium analysis tank C5 culture incorporating at least one sensor of pH. Advantageously, the control unit makes it possible to activate and control all the means of the mixing tank, and so as to define and control a volume, a concentration, a temperature and pH of the culture medium to be prepared and injected. in the culture tank. The culture in the PBR will therefore not be stressed by the addition of new culture medium, the latter being able to be done at the same concentration, temperature and pH as the medium in the culture tank, or at least at similar conditions.
En particulier, le système comporte une cuve de stockage d’eau C1 pourvue d’une arrivée d’eau courant et une sortie vers un système de stérilisation, par exemple à lumière UV, et permettant de faire un apport d’eau stérile vers la cuve de mélange C3. De plus, la cuve de stockage d’eau C1 permet l’évaporation de certaines molécules indésirables comme le chlore. In particular, the system comprises a water storage tank C1 provided with a current water inlet and an outlet to a sterilization system, for example with UV light, and making it possible to supply sterile water to the mixing tank C3. In addition, the C1 water storage tank allows the evaporation of certain unwanted molecules such as chlorine.
Le système comporte également des cuves de pH C10, C11 pour le stockage des solutions d’ajustement de pH, ces dernières étant reliées à la cuve de mélange C3 et/ou directement à la cuve de culture 04 pour l’injection de solutions d’ajustement de pH dans ces dernières. Le système comporte également une cuve molécule C7 pour le stockage de nutriments et injection de micronutriments tel que des molécules carbonées, minéraux, vitamines et d’autres composés d’intérêt. Le système de culture comporte également un module ou cuve de récolte C6 reliée à une sortie de la cuve de culture C4, et permettant de prélever tout ou partie du milieu de culture. The system also includes pH tanks C10, C11 for storing pH adjustment solutions, the latter being connected to the mixing tank C3 and/or directly to the culture tank 04 for the injection of pH solutions. pH adjustment in the latter. The system also includes a C7 molecule tank for storing nutrients and injecting micronutrients such as carbon molecules, minerals, vitamins and other compounds of interest. The culture system also includes a module or harvest tank C6 connected to an outlet of the culture tank C4, and allowing all or part of the culture medium to be taken.
Comme illustré à la fig. 1 , les transferts de liquide entre les différentes cuves est assuré par des moyens de transfert comportant au moins une pompe P, un débitmètre D ou une électrovanne EV sous contrôle de l’unité de contrôle et étant assignés à chacune des cuves du système. Le dispositif comporte également, une cuve de stockage de nutriments 02 configurée pour transférer des nutriments liquides à une cuve de mélange 03. Dans un autre mode de réalisation, le milieu de culture est préparé à partir des nutriments en phase solide, et les moyens de transfert assignés à la cuve de stockage de nutriments 02 sont de type doseur à vis sans fin, et/ou la cuve de stockage réalisé sous forme de doseur gravimétrique différentiel. As shown in fig. 1, liquid transfers between the different tanks are ensured by transfer means comprising at least one pump P, a flow meter D or a solenoid valve EV under the control of the control unit and being assigned to each of the tanks of the system. The device also comprises a nutrient storage tank 02 configured to transfer liquid nutrients to a mixing tank 03. In another embodiment, the culture medium is prepared from the solid phase nutrients, and the means of transfer assigned to the nutrient storage tank 02 are of the endless screw doser type, and/or the storage tank is made in the form of a differential gravimetric doser.
Quel que soit le mode de réalisation, l’unité de contrôle comporte un processeur et un programme d’instructions sauvegardées dans une mémoire couplée audit processeur, lesdites instructions étant exécutées par le processeur pour contrôler les conditions opératoires dudit système de culture. Le système est conçu notamment pour le monitoring et le contrôle de la quantité et la vitesse de transport de liquide ou solide entre les cuves avec un maintien des variables dans certaines cuves (température, pH...etc.). L’unité de contrôle est par exemple un automate central modèle i3CL12Y/10D14-SEHF ou SMT_CD_R20. Whatever the embodiment, the control unit comprises a processor and a program of instructions saved in a memory coupled to said processor, said instructions being executed by the processor to control the operating conditions of said culture system. The system is designed in particular for monitoring and controlling the quantity and speed of transport of liquid or solid between tanks with maintaining the variables in certain tanks (temperature, pH, etc.). The control unit is for example a central controller model i3CL12Y/10D14-SEHF or SMT_CD_R20.
Le système comporte également une interface utilisateur permettant la sélection des conditions opératoires du système et le monitoring de son fonctionnement, ladite interface étant conçue pour afficher : The system also includes a user interface allowing the selection of the operating conditions of the system and the monitoring of its operation, said interface being designed to display:
- un ensemble des cuves (litrage) ainsi que les flux (débit) de transfert entre les cuves ;- a set of tanks (literation) as well as the transfer flows (flow rate) between the tanks;
-une intensité de l’éclairage (en lumen et en micromole de photon par s et m2) temps d’éclairage, flash ; -lighting intensity (in lumen and micromole of photon per s and m2) lighting time, flash;
-une graphique de la turbidité ou concentration cellulaire en fonction du temps ; -a graph of turbidity or cell concentration as a function of time;
-une graphique de la photorésistance en fonction du temps ; -a graph of photoresistance versus time;
-une valeur du ph et de la température des cuves ; -a value of the pH and temperature of the tanks;
-une graphique de la conductimétrie en fonction du temps ; -a graph of conductimetry as a function of time;
- un pourcentage de CO2 dans le milieu dans la cuve de culture C4 et le taux d’injection de C02 ; - a percentage of CO2 in the medium in the C4 culture tank and the C0 2 injection rate;
- une valeur de divers composants tels que le sucre - a value of various components such as sugar
- un ratio de CO2 absorbé par rapport au CO2 injecté. De même, toutes les valeurs pH, débit, température, intensité de lumière et mode d’éclairage sont modifiables dans un même cycle de fonctionnement sur cette interface. - a ratio of CO2 absorbed compared to CO2 injected. Likewise, all pH, flow, temperature, light intensity and lighting mode values can be modified in the same operating cycle on this interface.
Avantageusement, le système comporte différents cycles permettant l’automatisation d’une culture, et ceci en incluant les cycles de démarrage, de lavage, de rinçage, et de démarche et arrêt d’une culture cellulaire. Advantageously, the system includes different cycles allowing the automation of a culture, including the cycles of starting, washing, rinsing, and starting and stopping a cell culture.
Des exemples de ces cycles sont donnés ci-après de manière non limitative : Examples of these cycles are given below in a non-limiting manner:
Cycle 1 : Initialisation des volumes fonctionnelles par rapport à des capteurs de niveau des cuves du système : Cycle 1: Initialization of the functional volumes in relation to the level sensors of the system tanks:
- État initial : En attente. - Initial state: Waiting.
- Bouton : Initialisation volume. - Button: Volume initialization.
- Remplissage de C1 , C4 (avec C8), C2, C3 (avec C9) jusqu’au signal du capteur de niveau CNC1 , CNC3, CNC4. - Filling of C1, C4 (with C8), C2, C3 (with C9) up to the signal from the level sensor CNC1, CNC3, CNC4.
- Enregistrement du volume de liquide associer aux capteurs de niveau/cuve. - Recording of the volume of liquid associated with the level/tank sensors.
- Fin. - END.
Cycle 2 : lavage javel (ou autre produit stérilisant) Cycle 2: bleach wash (or other sterilizing product)
- État initial : En attente - Initial state: Waiting
- Bouton : Stérilisation - Button: Sterilization
- Remplissage de X litres de javel dans la cuve de stockage d’eau C1 à indiquer à l’unité de contrôle par l’opérateur. - Filling of X liters of bleach in the water storage tank C1 to be indicated to the control unit by the operator.
- Remplissage de cuve de mélange C3 et à partir de la cuve de stockage d’eau C1 - Filling of mixing tank C3 and from water storage tank C1
- Remplissage de la cuve de stockage de nutriments C2 et à partir de la cuve de mélange d’eau C3. - Filling of the nutrient storage tank C2 and from the water mixing tank C3.
- Déclenchement d’une pompe de brassage de la cuve de stockage de nutriments C2. - Triggering of a mixing pump of the nutrient storage tank C2.
- Remplissage de la cuve de mélange C3 et à partir de la cuve de stockage d’eau C1 + activation de la pompe P3 alimentant la cuve d’analyse C9 (après un certain litrage dans la cuve de mélange C3 définis par l’opérateur). - Filling of the mixing tank C3 and from the water storage tank C1 + activation of the pump P3 supplying the analysis tank C9 (after a certain liter in the mixing tank C3 defined by the operator) .
- Déclenchement pompe brassage de la cuve de mélange C3 - Triggering mixing pump of mixing tank C3
- Stérilisation tuyaux pH (P9-P10) reliant les cuves de pH (C9, C10) - Sterilization pH pipes (P9-P10) connecting the pH tanks (C9, C10)
- Remplissage cuve de culture C4 (+ activation de la pompe P8 assigné à la cuve d’analyse C8 après un certain litrage dans la cuve de culture C4) à partir de la cuve de mélange C3- Filling culture tank C4 (+ activation of pump P8 assigned to analysis tank C8 after a certain liter in culture tank C4) from mixing tank C3
- Stérilisation tuyau relié à la cuve de culture C4 - Sterilization pipe connected to the C4 culture tank
-Vidage cuve de culture C4 à partir de la cuve de récolte C6 -Empty culture tank C4 from harvest tank C6
-Arrêt pompe P8 -P8 pump stop
-Vidage cuve de mélange C3 dans cuve de culture 04 + activation de la pompe P8-Empty mixing tank C3 in culture tank 04 + activation of pump P8
-Vidage 04 + arrêt pompe P8 -Drain 04 + pump stop P8
-Fin -END
Cycle 3 : Rinçage Cycle 3: Rinse
-État initial : En attente -Initial state: Waiting
-Bouton : Rinçage -Button: Rinse
-Remplissage de X L d’eau à indiquer à l’automate par l’opérateur, (cuve pH, Molécule)-Filling of X L of water to be indicated to the machine by the operator, (pH tank, Molecule)
-Remplissage 01 jusqu’au capteur de niveau. -Filling 01 up to the level sensor.
-Remplissage C3 d’eau et activation pompe de brassage -Filling C3 with water and activating brewing pump
-Remplissage 02 d’eau à partir de la cuve 03 et activation pompe de brassage-Filling 02 with water from tank 03 and activating brewing pump
-Remplissage cuve de mélange 03 à partir de cuve de stockage de nutriments 02 -Vidage cuves de pH 010, C11 dans cuve de mélange 03 et vidage du surplus dans cuve de culture 04 pour cuve de mélange 03 -Remplissage de cuve de culture C4 (+ activation pompe P8) à partir de cuve de mélange C3.-Filling mixing tank 03 from nutrient storage tank 02 -Emptying pH tanks 010, C11 into mixing tank 03 and emptying the surplus into culture tank 04 for mixing tank 03 -Filling of culture tank C4 (+ activation of pump P8) from mixing tank C3.
-Vidage cuve de culture C4 -Empty culture tank C4
-Arrêt pompe P8 -P8 pump stop
-Vidage cuve molécule dans cuve de culture C4 et vidage de cuve de culture C4 -Empty molecule tank in C4 culture tank and empty C4 culture tank
-S’il reste de l’eau dans les cuves, vidage dans cuve de mélange C3 -If there is water left in the tanks, empty into mixing tank C3
-Vidage cuve de mélange C3 dans cuve de culture C4 et Vidage cuve de culture C4 dans cuve de récolte C6 -Empty mixing tank C3 into culture tank C4 and Empty culture tank C4 into harvest tank C6
-Fin -END
Cycle 4 : Mise en marche début de la culture cellulaire Cycle 4: Start of cell culture
-Etat initial : En attente -Initial state: Waiting
-Bouton : Start -Button: Start
-Remplissage de la cuve de stockage d’eau C1 en eau jusqu’au capteur de niveau CNC1 -Remplissage de la cuve de stockage de nutriments C2 par un opérateur d’une quantité X de liquide à indiquer à l’automate. -Filling of the water storage tank C1 with water up to the level sensor CNC1 -Filling of the nutrient storage tank C2 by an operator with a quantity
-Actionnement des pompes de brassage cuve C2 -Activation of tank C2 mixing pumps
-L'opérateur indique la dilution souhaitée du liquide de C2 avec l’eau de C1 dans la cuve de mélange C3. -The operator indicates the desired dilution of the C2 liquid with the C1 water in the C3 mixing tank.
-Mélange (+ actionnement pompe de brassage à partir d’un niveau X de liquide indiqué à l’automate) dans la cuve de mélange C3 jusqu’au remplissage (capteur de niveau CNC3 OU volume donné par l’opérateur) selon la dilution souhaitée avec l’option d’activation du filtre UV (oui OU non). Visualisation des débits et modification possible. -Mixing (+ mixing pump actuation from a liquid level with the option of activating the UV filter (yes OR no). Visualization of flow rates and possible modification.
-Actionnement 2 tapis chauffant TC1 , TC2 de la cuve de mélange C3 jusqu’à la température de consigne indiqué par l’opérateur -Activation of 2 heating mats TC1, TC2 of the mixing tank C3 up to the set temperature indicated by the operator
-Allumage des sources lumineuses 2 dans la cuve de culture C4 à l’intensité choisie, affichage de la mesure d’intensité donnée par la photorésistance. -Ignition of light sources 2 in the culture tank C4 at the chosen intensity, display of the intensity measurement given by the photoresistor.
-Remplissage par l’opérateur de X L d’algues dans cuve de culture C4 à indiquer à l’unité de contrôle. -Filling by the operator of X L of algae in C4 culture tank to indicate to the control unit.
-Activation pompe P8 -P8 pump activation
-Remplissage de la cuve de culture C4 à partir de cuve de mélange 03 avec un débit Y choisi jusqu'au capteur de niveau CNC4 ou volume choisi. -Filling of culture tank C4 from mixing tank 03 with a chosen flow rate Y to the level sensor CNC4 or chosen volume.
-Pendant le remplissage de la cuve de culture 04 par le milieu contenu dans la cuve de mélange 03 : -During filling of the culture tank 04 with the medium contained in the mixing tank 03:
-Remplissage de la double enveloppe de la cuve de culture C4et chauffage de la cuve de chauffage 05 jusqu’à la température de consigne. Maintien de cette fonction durant le process. -Activation de l’arrivée du mélange Co2/ air à la concentration en CO2 donné par l’opérateur. Maintien de cette fonction durant le process -Filling of the double jacket of the culture tank C4 and heating of the heating tank 05 up to the set temperature. Maintaining this function during the process. -Activation of the arrival of the Co2/air mixture at the CO2 concentration given by the operator. Maintaining this function during the process
-Activation du pH-mètre, régulation du pH (pH de consigne) : Deux modes au choix : réguler avec cuve PH (liquide basique OU Acide indiqué par l’opérateur) OU régulation grâce à l’arrivée de Co2 (le 002 baisse le pH). Maintien de cette fonction durant le process. -Activation of the pH meter, regulation of the pH (set pH): Two modes to choose from: regulate with PH tank (basic liquid OR Acid indicated by the operator) OR regulation thanks to the arrival of Co2 (the 002 lowers the pH). Maintaining this function during the process.
-Activation du turbidimètre/spectrophotomètre et conductimètre + d’autre capteur éventuelle -Vidage de la cuve de culture 04 selon 2 modes : Mode renouvellement de x pourcents par jour avec réglage du débit OU vidage de X L à intervalle de temps donné. -Activation of the turbidimeter/spectrophotometer and conductivity meter + other possible sensor -Emptying of the culture tank 04 according to 2 modes: Renewal mode of x percent per day with flow rate adjustment OR emptying of X L at a given time interval.
-Le milieu de la cuve de mélangeC3 sera renouvelé lorsque le niveau passera en dessous d’un seuil choisi par l’opérateur jusqu'à qu’il atteigne son capteur de niveau CNC3 OU le volume choisi par l’opérateur. -The middle of the mixing tank C3 will be renewed when the level falls below a threshold chosen by the operator until it reaches its level sensor CNC3 OR the volume chosen by the operator.
-Injection d’une molécule à partir de la cuve de molécules 07 si instructions de l’opérateur.-Injection of a molecule from molecule tank 07 if instructed by the operator.
Le système de l’invention est donc très avantageux en ce qu’il est conçu pour faciliter l’ensemble des taches nécessaires à un utilisateur pour effectuer une culture cellulaire, et nécessite une intervention minimale de l’utilisateur. D’autre part, le système est conçu pour avoir un contrôle très précis des conditions de culture et est donc très avantageux pour la culture expérimentale et la recherche sur les microorganismes photosynthétiques. En effet, le système permet un paramétrage total et précis des conditions de culture, et notamment du mode d’éclairage. Le système de l’invention permet donc l’obtention de hauts rendements de production de biomasse. De même, sa grande autonomie, sa capacité à absorber le CO2 ainsi que son grand rendement en matière nutritive permettent de pouvoir envisager ce système de culture dans des colonies spatiales. En effet, les contraintes spatiales sont en adéquation avec les capacités que peuvent offrir ce bioréacteur soit un grand rendement surfacique, une capacité de recyclage du CO2 des astronautes et de leur déchet (urine fèces etc...) ou encore la capacité à pouvoir cultiver les algues sans contamination du milieu extérieur. Nous pouvons envisager un autre type d’utilisation plus terre-à-terre comme système de culture produisant de l’alimentation dans des espaces peu propices à la culture végétale standard. Il peut être par exemple utilisé dans le cadre de pays en sous-nutrition comme une installation autonome qui fournira les besoins alimentaires du secteur. Bien entendu, le système peut également être relié à une installation polluante et récupérer le CO2 émis par cette installation. The system of the invention is therefore very advantageous in that it is designed to facilitate all of the tasks necessary for a user to carry out cell culture, and requires minimal intervention from the user. On the other hand, the system is designed to have very precise control of cultivation conditions and is therefore very advantageous for experimental cultivation and research on photosynthetic microorganisms. In fact, the system allows total and precise configuration of the growing conditions, and in particular the lighting mode. The system of the invention therefore makes it possible to obtain high biomass production yields. Likewise, its great autonomy, its capacity to absorb CO2 as well as its high yield of nutrients make it possible to envisage this cultivation system in space colonies. Indeed, the spatial constraints are in line with the capacities that this bioreactor can offer, namely a high surface yield, a capacity to recycle CO2 from astronauts and their waste (urine, feces, etc.) or even the capacity to be able to cultivate algae without contamination from the external environment. We can consider another, more down-to-earth type of use as a growing system that produces food in spaces unsuitable for standard plant growing. It can, for example, be used in undernourished countries as an autonomous installation which will supply the food needs of the sector. Of course, the system can also be connected to a polluting installation and recover the CO2 emitted by this installation.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif (100) photo-bioréacteur, ledit dispositif (100) comportant une cuve de culture (C4), une unité de contrôle (1 ), une source lumineuse (2) à diodes électroluminescents LED configurable en intensité et selon un mode d’éclairage flash, caractérisé en ce que le dispositif (100) comporte également : 1. Photo-bioreactor device (100), said device (100) comprising a culture tank (C4), a control unit (1), a light source (2) with LED light-emitting diodes configurable in intensity and according to a lighting mode flash, characterized in that the device (100) also comprises:
- un module de régulation de puissance configuré pour fournir un courant continu régulé analogiquement en tension, et faisant varier l’intensité d’un signal lumineux de la source lumineuse (2), et - a power regulation module configured to provide a direct current regulated analogously in voltage, and varying the intensity of a light signal from the light source (2), and
- un module de régulation flash configuré pour appliquer optionnellement une fréquence et un rapport cyclique audit signal lumineux, et dans lequel dispositif, le module de régulation flash est alimenté par le courant continu fourni par le module de régulation de puissance. - a flash regulation module configured to optionally apply a frequency and a duty cycle to said light signal, and in which device, the flash regulation module is powered by the direct current supplied by the power regulation module.
2. Dispositif (100) selon la revendication 1 , dans lequel la source lumineuse (2) est configurable au moyen de l’unité de contrôle, et ladite unité de contrôle est reliée au module de régulation de puissance au moyen d’un potentiomètre automatique permettant de piloter analogiquement ledit module de régulation de puissance, et dans lequel le module de régulation flash est configuré pour être piloté sous commande numérique de ladite unité de contrôle. 2. Device (100) according to claim 1, in which the light source (2) is configurable by means of the control unit, and said control unit is connected to the power regulation module by means of an automatic potentiometer making it possible to analogously control said power regulation module, and in which the flash regulation module is configured to be controlled under digital control of said control unit.
3. Dispositif selon l’une de revendications précédentes, dans lequel la source lumineuse est configurable en longueur d’onde et de manière variable sur un cycle de fonctionnement, et le dispositif comporte un module de régulation de puissance sous commande analogique pour chaque canal alimentant un ou des LED de ladite source lumineuse. 3. Device according to one of the preceding claims, in which the light source is configurable in wavelength and variably over an operating cycle, and the device comprises a power regulation module under analog control for each supplying channel one or more LEDs from said light source.
4. Dispositif (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la source lumineuse (2) comporte au moins un capteur de lumière en communication avec ladite unité de contrôle (1 ), et cette dernière met en œuvre un rétrocontrôle d’une commande de puissance d’alimentation de la source lumineuse (2) en fonction d’un flux lumineux mesuré par ledit capteur de lumière, et dans lequel ladite cuve de culture comporte de préférence une ou des parois revêtues d’une couche réfléchissante agencée pour réfléchir la lumière de ladite source lumineuse. 4. Device (100) according to one of the preceding claims, wherein the light source (2) comprises at least one light sensor in communication with said control unit (1), and the latter implements feedback control of a power supply control of the light source (2) as a function of a luminous flux measured by said light sensor, and in which said culture tank preferably comprises one or more walls coated with a reflective layer arranged to reflect the light from said light source.
5. Dispositif (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite source lumineuse (2) est intégrée à l’intérieur de la cuve de culture (C4) sous forme d’un tuyau lumineux (21 ) vertical, et la source lumineuse (2) comporte une colonne d’emplacement (27) s’étendant à partir d’un fond de la cuve de culture (C4) et débouchant de manière étanche au niveau d’une fermeture supérieure (11 ) de ladite cuve de culture, et dans lequel le tuyaux lumineux (21) est hébergé à l’intérieur de ladite colonne d’emplacement (27), et une ouverture supérieure de la colonne d’emplacement (27) est configurée comme une ouverture refermable indépendante, et permettant de conserver l’étanchéité d’un volume interne de la cuve de culture (C4) lors de son ouverture. 5. Device (100) according to one of the preceding claims, wherein said light source (2) is integrated inside the culture tank (C4) in the form of a vertical light pipe (21), and the light source (2) comprises a location column (27) extending from a bottom of the culture tank (C4) and opening out in a sealed manner at an upper closure (11) of said culture tank. culture, and in which the light pipes (21) is housed inside said location column (27), and an upper opening of the location column (27) is configured as an independent closable opening, and allowing to maintain the tightness of an internal volume of the culture tank (C4) when it is opened.
6. Dispositif (100) selon l’une des revendications précédentes, comportant un mécanisme de nettoyage (60) d’une paroi externe de la source lumineuse (2) en contact avec le milieu de culture, ledit mécanisme de nettoyage (60) comportant une paire d’aimants (26,28) disposés d’un côté et de l’autre de ladite paroi externe de la source lumineuse (2), et étant entrainés par un système de poulies (24) pour se déplacer le long de la source lumineuse (2). Dispositif (100) selon les revendications 5 et 6, dans lequel ledit système de poulies (24), et un aimant interne (26) de ladite paire d’aimants sont disposés à l’intérieur creux du tuyau lumineux (21) de la source lumineuse, et le deuxième aimant (28) de ladite paire d’aimants comporte un élément nettoyant (29) en contact de la paroi externe de la colonne d’emplacement (27). Dispositif (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la cuve de culture (C4) comporte un ou plusieurs capteurs de lumière (5) supplémentaires configurées pour mesurer un flux lumineux en différentes zones d’un volume interne de ladite cuve de culture (C4) recevant du milieu de culture. Dispositif (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la cuve de culture (C4) est reliée à une cuve d’analyse (C8) intégrant des capteurs de pH, de nutriments, et un dispositif de mesure de la concentration cellulaire, tel qu’un turbidimètre. Dispositif (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’unité de contrôle (1 ) comporte une interface utilisateur et une application configurée pour afficher un ensemble de mesures des capteurs du dispositif, et permettant de configurer le mode d’éclairage de la source lumineuse (2). Dispositif (100) selon l’une de revendications précédentes, comportant une entrée inférieure de gaz 40, tel que de CO2, ladite entrée étant configuré pour injecter du gaz vers le haut de la cuve de culture, et de préférence le dispositif comporte des moyens de stérilisation d’air et de contrôle du débit d’injection d’air et son taux de CO2. Dispositif (100) selon l’une de revendications précédentes, dans lequel la cuve de culture (C4) intègre une pluralité des sources lumineuses (2) internes sous forme de tuyaux lumineux (21), chaque tuyau lumineux définissant une zone éclairée (220) à l’intérieur de la cuve de culture, et ledit dispositif comporte également un réseau de bullage de gaz (6) comportant des sorties (61 ) positionnées en dehors des zones éclairées (220) et agissant comme moyen de brassage de milieu de culture. Système de culture automatisé comportant un dispositif photo-bioréacteur comportant une cuve de culture tel que le dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 12, ledit système comportant également une cuve de mélange (C3), une cuve de stockage d’eau (C1), et une cuve de stockage de nutriments reliées entre elles par un circuit de tuyaux, et comportant une unité de contrôle comportant un processeur et une mémoire couplé audit processeur, et des instructions sauvegardées dans la mémoire et exécutées par le processeur pour contrôler les conditions opératoires dudit système de culture, caractérisé en ce que : 6. Device (100) according to one of the preceding claims, comprising a cleaning mechanism (60) of an external wall of the light source (2) in contact with the culture medium, said cleaning mechanism (60) comprising a pair of magnets (26,28) arranged on one side and the other of said external wall of the light source (2), and being driven by a system of pulleys (24) to move along the light source (2). Device (100) according to claims 5 and 6, wherein said system of pulleys (24), and an internal magnet (26) of said pair of magnets are arranged inside the hollow interior of the light pipe (21) of the source light, and the second magnet (28) of said pair of magnets comprises a cleaning element (29) in contact with the external wall of the location column (27). Device (100) according to one of the preceding claims, in which the culture tank (C4) comprises one or more additional light sensors (5) configured to measure a luminous flux in different zones of an internal volume of said culture tank. culture (C4) receiving culture medium. Device (100) according to one of the preceding claims, in which the culture tank (C4) is connected to an analysis tank (C8) integrating pH and nutrient sensors, and a cell concentration measuring device , such as a turbidimeter. Device (100) according to one of the preceding claims, in which the control unit (1) comprises a user interface and an application configured to display a set of measurements from the sensors of the device, and making it possible to configure the lighting mode of the light source (2). Device (100) according to one of the preceding claims, comprising a lower gas inlet 40, such as CO2, said inlet being configured to inject gas towards the top of the culture tank, and preferably the device comprises means air sterilization and control of the air injection flow and its CO2 rate. Device (100) according to one of the preceding claims, in which the culture tank (C4) integrates a plurality of internal light sources (2) in the form of light pipes (21), each light pipe defining an illuminated zone (220) inside the culture tank, and said device also comprises a gas bubbling network (6) comprising outlets (61) positioned outside the illuminated zones (220) and acting as a means of mixing the culture medium. Automated culture system comprising a photo-bioreactor device comprising a culture tank such as the device (100) according to one of claims 1 to 12, said system also comprising a mixing tank (C3), a storage tank of water (C1), and a nutrient storage tank interconnected by a circuit of pipes, and comprising a control unit comprising a processor and a memory coupled to said processor, and instructions saved in the memory and executed by the processor for control the operating conditions of said culture system, characterized in that:
-la cuve de culture (C4) comporte une entrée reliée à la cuve de mélange (C3) pour son alimentation en milieu de culture, et -the culture tank (C4) has an inlet connected to the mixing tank (C3) for its supply of culture medium, and
- la cuve de mélange (C3) comporte une entrée reliée à la cuve de stockage d’eau (C1 ), une entrée reliée à la cuve de stockage de nutriments (C2), des moyens de brassage, des moyens de réglage de la température, et des moyens de contrôle du pH (C10, C11 ), et en ce que - the mixing tank (C3) comprises an inlet connected to the water storage tank (C1), an inlet connected to the nutrient storage tank (C2), mixing means, temperature adjustment means , and means of controlling the pH (C10, C11), and in that
-le système est configuré pour préparer le milieu de culture dans la cuve de mélange (C3) à une concentration, température et pH programmables au moyen de de ladite unité de contrôle (1), et -the system is configured to prepare the culture medium in the mixing tank (C3) at a programmable concentration, temperature and pH by means of said control unit (1), and
-le système comporte des moyens de transfert sous commande de l’unité de contrôle (1) et étant assignés à chacune des cuves du système pour activer et contrôler un volume et un débit de liquide ou solide transféré entre lesdites cuves. Système de culture selon la revendication 13, dans lequel la cuve de culture (C4) est reliée à une cuve d’analyse (C8) en communication avec l’unité de contrôle (1 ) et intégrant des capteurs de pH, d’au moins un nutriment, et un dispositif de mesure de la concentration cellulaire, tel qu’un turbidimètre, dans lequel système l’unité de contrôle (1) comporte un programme avec des instructions sauvegardées pour activer l’introduction du milieu de culture contenu dans la cuve de mélange (3) en fonction des paramètres mesurés dans la cuve d’analyse (C8), tels qu’une concentration cellulaire, un pH ou une concentration de nutriments. -the system comprises transfer means under control of the control unit (1) and being assigned to each of the tanks of the system to activate and control a volume and a flow rate of liquid or solid transferred between said tanks. Culture system according to claim 13, in which the culture tank (C4) is connected to an analysis tank (C8) in communication with the control unit (1) and integrating pH sensors, at least one nutrient, and a cell concentration measuring device, such as a turbidimeter, in which system the control unit (1) includes a program with saved instructions for activating the introduction of the culture medium contained in the mixing tank (3) as a function of the parameters measured in the analysis tank (C8), such as a cell concentration, a pH or a concentration of nutrients.
15. Système de culture selon l’une des revendications 13 à 14, dans lequel la cuve de culture comporte une entrée reliée à au moins une cuve de pH (C10) comportant une solution d’ajustement de pH, et une entrée de CO2 (40) reliée à une source de CO2, et dans lequel l’unité de contrôle comporte un programme comportant des instructions sauvegardées pour réguler le pH dans ladite cuve de culture (C4) pour injecter de la solution de pH et/ou de CO2 en activant des moyens de transfert assignés respectivement à ladite source de CO2 et cuve de pH. 15. Culture system according to one of claims 13 to 14, in which the culture tank comprises an inlet connected to at least one pH tank (C10) comprising a pH adjustment solution, and a CO2 inlet ( 40) connected to a CO2 source, and in which the control unit comprises a program comprising saved instructions for regulating the pH in said culture tank (C4) to inject pH and/or CO2 solution by activating transfer means assigned respectively to said CO2 source and pH tank.
16. Système de culture selon l’une des revendications 13 ou 14, dans lequel la cuve de culture (C4) comporte une sortie reliée à une cuve de récolte (C6), et des moyens de transfert sous commande de l’unité de contrôle (1 ) pour transférer un volume de liquide contenu dans la cuve de culture (C4) vers ladite cuve de récolte (06), et dans lequel l'unité de contrôle (1) comporte un programme de culture permettant de définir un temps, une fréquence et un volume de liquide à extraire de ladite cuve de culture (04) vers la cuve de récolte (C6) et/ou un volume de liquide à injecter dans ladite cuve de culture (C4) à partir de la cuve de mélange (03). 16. Cultivation system according to one of claims 13 or 14, in which the culture tank (C4) comprises an outlet connected to a harvest tank (C6), and transfer means under control of the control unit (1) to transfer a volume of liquid contained in the culture tank (C4) to said harvest tank (06), and in which the control unit (1) comprises a culture program making it possible to define a time, a frequency and a volume of liquid to be extracted from said culture tank (04) to the harvest tank (C6) and/or a volume of liquid to be injected into said culture tank (C4) from the mixing tank (03 ).
17. Système de culture selon la revendication 16 , dans lequel les moyens de transfert entre les cuves sont bidirectionnels et l’unité de contrôle (1 ) comporte un programme de rinçage comportant des instructions sauvegardées pour activer des moyens de transfert assignés à la cuve de stockage d’eau (01 ) et injecter un liquide dans la cuve de mélange (03) et rincer toutes les autres cuves du système de culture (02, 04, 05, 07, 08, 09 010,011 ) à partir dudit liquide injecté dans la cuve de mélange, en actionnant séquentiellement des moyens de transfert assignés à chacune desdites cuves du système dans un ordre préconfiguré, et pour vider le liquide de rinçage injecté dans le système à partir de la cuve de récolte d’algues. 17. Culture system according to claim 16, in which the transfer means between the tanks are bidirectional and the control unit (1) comprises a rinsing program comprising saved instructions for activating transfer means assigned to the storage tank. water storage (01) and inject a liquid into the mixing tank (03) and rinse all the other tanks of the culture system (02, 04, 05, 07, 08, 09 010,011) from said liquid injected into the mixing tank, by sequentially operating transfer means assigned to each of said tanks of the system in a preconfigured order, and to empty the rinsing liquid injected into the system from the algae harvesting tank.
18. Système de culture selon l’une des revendications 13 à 16, ledit système comportant une interface utilisateur permettant de sélectionner un programme de culture avec une durée de culture, un volume et une fréquence d’injection et extraction de volume de milieu de culture dans et à partir de la cuve de culture et avec un débit contrôlable, ainsi qu’affichant les mesures d’un ensemble de capteurs de température, de lumière, de pH, de concentration cellulaire et de nutriments dudit système de culture. 18. Culture system according to one of claims 13 to 16, said system comprising a user interface making it possible to select a culture program with a culture duration, a volume and a frequency of injection and extraction of volume of culture medium into and from the culture tank and with a controllable flow rate, as well as displaying measurements from a set of temperature, light, pH, cell concentration and nutrient sensors of said culture system.
19. Système de culture selon l’une des revendications 13 à 17, dans lequel l’unité de contrôle (1) comporte un module de communication, et le système comporte un serveur distant hébergeant une base de données, ladite base de données comportant de programmes de fonctionnement du système de culture téléchargeables et exécutables par l’unité de contrôle. 19. Cultivation system according to one of claims 13 to 17, in which the control unit (1) comprises a communication module, and the system comprises a remote server hosting a database, said database comprising cultivation system operating programs downloadable and executable by the control unit.
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