Brevet FR2361060A1 — publié le 19780310

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour le développement et la culture de matières photosynthétiques en suspension dans un milieu aqueux nutritif. Par matières photosynthétiques on entend dans l'invention toute forme de vie susceptible de développement et de photosynthèse dans un milieu aqueux nutritif approprié en présence de rayonnement solaire et de dioxyde de carbone. Des exemples de telles matières comprennent les tissus végétaux et tout organisme monocellulaire contenant des chloroplastes, des bactéries photosynthétiques, des algues photosynthétiques et des animaux photosynthetiques. On connaît déjà des procédés permettant le développement et la culture de telles matières photosynthétiques. L'importance considérable du développement et de la culture de telles matières photosynthétiques provient de ce qu'elles peuvent transformer directement l'énergie rédiante du soleil en une matière qui peut être ensuite utilisée en tant que source d'énergie. Cette matière est communément appelée 1,biomasse". I1 apparaît donc important de concevoir un procédé et un dispositif permettant le développement et la culture de telles matières photosynthétiques dans lesquels est utiliséeau maximum l'énergie radiante du soleil. On estime qu'avec la plupart des matières photosynthétiques actuellement disponibles, il existe une limite supérieure pour la quantité d'énergie radiante provenant du soleil qui peut être utilisée d'une manière efficace.En dessous de cette limite, la biomasse produite par unité de temps est proportionnelle à l'irradiation solaire sur la matière photosynthetique en développement. Lorsque l'irradiation dépasse la limite supérieure, il peut exister une faible augmentation dans le poids de la biomasse produite, mais cette augmentation est inférieure à ce que l'on peut penser trouver à partir de la relation irradiation/biomasse obtenue à partir dlexperiences effectuées pour des valeurs inférieures à cette limite supérieure. L'irradiation solaire au-dessus de cette limite supérieure sera appelée plus loin "irradiation de haut niveau pour l'ensemble concerné. La présente invention a ainsi pour objet un procédé et un dispositif pour le développement et la culture de matières photosynthétiques dans lesquels est correctement utilisée l'énergie fournie par le soleil, notamment provenant d'une irradiation de haut niveau. Conformément à la'présente invention, le procédé pour la culture ou le développement d'une matière photosynthétique en suspension dans un milieu nutritif aqueux est caractérisé en ce que l'on fait passer la suspension en présence de dioxyde de carbone par une série de zones alternées dans lesquelles la matière photosynthétique est alternativement soumise.a-une irradiation solaire de haut niveau et en est protégée, lesdites zones, étant formées en interposant entre la source de rayonnement et la matière photosynthétique des moyens permettant d'absorber au moins une partie du rayonnement et de récupérer au moins une partie de l'énergie de rayonnement absorbée et en ce qu'on récupère de l'énergie à partir de ces moyens. I1 est possible de cultiver, à l'aide du procédé de l'invention, toutes matières photosynthétiques connues. Des procédés permettant de produire des cellules vegétales convenables contenant des chloroplastes sont décrits dans les brevets anglais Nos 1 401 681 et 1 401 665. Des exemples d'algues unicellulaires photosynthétiques peuvent être trouvés dans les genres chlorella, scenedesmus, chlamydomonas, spirulina ainsi que dans leurs souches mutantes à carence de paroi cellulaire. On connaît un certain nombre de milieux nutritifs aqueux ap propriés et ceux-ci peuvent être choisis selon la matière photosynthétique utilisée. On préfère utiliser des matières photosynthétiques autotrophes qui peuvent se développer ou être cultivées En présence de dioxyde de carbone en tant que source unique de carbone. On peut toutefois cultiver des matières photosynthetiques nécessitant un hydrate de carbone en tant que source de carbone supplémentaire en dioxyde de carbone. La matière photosynthétique doit être capable de former une suspension dans le milieu nutritif qui soit suffisamment stable pour lui permettre de passer par les zones d'irradiation où elle est soumise au rayonnement solaire sans qulil se produise de la matière d'une manière excessive. On préfère, pour cette raison, utiliser des matières unicellulaires car elles forment des suspensions stables et fournissent également des suspensions à partir desquelles la récupération de la matière produite (biomasse) est facile à obtenir. Le procédé conforme à la présente invention est utilisé dans les cas où le niveau d'irradiation solaire auquel la matière pho tosynthêtique est soumise dans la zone d t irradiation est élevé ou haut comme défini ci-dessus. Lors de la mise en oeuvre du procédé de l'invention dans les zones où la suspension est protégée du rayonnement, le niveau d'irraRiation est bien en dessous de la limite supérieure d'irradiation que peut utiliser, d'une manière efficace, la matière photosynthétique en voie de développement, et plus la protection contre le rayonnement solaire est efficace et meilleur est le procédé. Le procédé de la présente invention peut être effectué dans tout ensemble connu de culture sous rayonnement solaire dans lequel une matière photosynthétique peut être amenée à passer à travers une zone où elle est soumise au rayonnement solaire qui a été modifié pour délimiter plus d'une zone d'irradiation. Les zones alternées à haut et bas niveau d'irradiation peuvent être délimitées en interposant à des intervalles réguliers entre la source de rayonnement solaire et la surface de l'ensemble de culture une série de dispositifs absorbant les radiations et disposés les uns à une certaine distance des autres.Les dispositifs absorbants sont écartés de telle manière qu'entre ces dispositifs le rayonnement provenant du soleil puisse attendre directement la surface de l'ensemble de culture tandis que la partie de cette surface en dessous de ces dispositifs se trouve dans l'ombre.Les dispositifs absorbant les radiations peuvent être designés en tant que "piège de chaleur" à partir desquels au moins une partie de l'énergie du rayonnement absorbé peut être récupérée et utilisée dans l'ensemble du processus de production de la biomasse sous une forme utilisable commercialement. Par exemple, l'énergie thermique peut être utilisée pour alimenter une pompe solaire ou pour sécher la biomasse produite ou encore pour pasteuriser des milieux frais. I1 est également possible que l'énergie thermique soit convertie en énergie électrique. Le temps pendant lequel la matière photosynthétique est exposée à une irradiation de haut niveau ou protégée de cette irradiation peut être modifié en faisant varier les surfaces des zones à haute énergie par rapport à celles des zones à basse énergie, à savoir les zones qui sont cachées ou protégées des rayons du soleil. La meilleure disposition dépend de la nature de la matière photosynthétique ainsi que de l'intensité de l'irradiation, mais on préfère en pratique que la suspension soit éclairée dans une zone d'irradiation pendant unè période très courte, par exemple de 1 à 1/100 secondes, et que le rapport du temps pendant lequel la suspension est éclairée à celui pendant lequel elle est dans l'ombre varie entre 1 : 1 et 1 : 100. Une application particulièrement utile du procédé conforme à la présente invention concerne la culture de biomasses dans les parties du monde où le rayonnement solaire normal. est susceptible d'atteindre, durant le jour, un niveau bien au-dessus de celui que la matière photosynthétique peut utiliser d'une manière efficace. Ainsi, dans de nombreuses régions du monde, l'intensité lumineuse pendant un certain nombre d'heures de chaque côté de midi est bien au-dessus du niveau que la matière photosynthétique peut utiliser avec une efficacité maximum.En conséquence, une forme de réalisation de la présente invention concerne un procédé utilisable tout le long du jour pour la culture d'une matière photosynthétique en suspension dans un milieu nutritif aqueux et dans lequel on fait passer la suspension en présence de dioxyde de carbone par une zone de développement dans laquelle la suspension est soumise à l'irradiation solaire, on contrôle le niveau de l'irradiation pour déterminer lorsqu'elle atteint le haut niveau défini précédemment, on introduit dans le trajet du rayonnement sur la zone de développement des moyens pour absorber au moins une partie Jdu rayonnement et récupérer au moins une partie de l'énergie de rayonnement absorbée, la zone de développement étant divisée en zones alternées dans lesquelles la matière photosynthétique est alternativement soumise à un haut niveau d'irradiation et en est protégée, on-. récupère de l'énergie à partir de ces moyens, on continue à contrôler l'irradiation et on supprime ces moyens lorsque l'irradiation n'est plus de haut niveau. Conformément à la présente invention, le dispositif pour le développement et la culture d'une matière- photosynthétique en suspension dans un milieu nutritif aqueux comprend un récipient allongé, au moins en partie transparent et qui délimite un trajet pour l'écoulement de la suspension, combiné à des moyens permettant d'absorber le rayonnement solaire et de récupérer au moins une partie de l'énergie de rayonnement absorbée, ces moyens divisant le récipient en une série de zones alternées dans lesquelles la suspension peut être alternativement soumise à une irradiation de haut niveau et en être protégée. Tous les ensembles connus de culture sous rayonnement solaire, dans lesquels une matière photosynthétique en suspension dans un milieu nutritif aqueux peut passer par une zone dans laquelle elle est soumise à une irradiàtion solaire, peuvent être modifiés pour constituer le dispositif conforme à la présente invention, par exemple en plaçant une grille pour absorber le rayonnement et à partir de laquelle l'énergie absorbée peut être récupérée audessus de la surface de l'ensemble de culture qui reçoit la lumière. I1 est également possible que la surface de l'ensemble de culture qui est soumise au rayonnement soit recouverte de bandes de matière absorbant le rayonnement et à partir desquelles l'énergie absorbée peut être récupérée de manière à former les zones à haut et à bas niveau d'irradiation.Un exemple d'un ensemble de culture qui peut être modifié de la manière indiquée plus haut est décrit dans la demande de brevet anglais NO 03806/74. Cette demande décrit un ensemble de culture pour cellules végétales contenant des chloroplastes dans une suspension liquide dans un milieu de culture, cet ensemble de culture comprenant un récipient allongé, au moins en partie transparent, et qui délimite un trajet d'dcoule- ment pour la suspension, le récipient étant prévu pour être placé sur l'eau. Le récipient peut présenter des moyens pour fournir à la suspension liquide du dioxyde de carbone.Un tel ensemble de culture peut être adapté à l'appareil de la présente invention en faisant en sorte que le récipient transparent présente des zones à haute et basse énergie d'irradiation, par exemple en plaçant une grille à partir de laquelle l'énergie absorbée peut être récupérée entre la source de rayonnement et la surface transparente du récipient. L'angle de la grille par rapport au rayonnement peut être réglé pour faire varier la longueur des zones à bas et haut niveau d'irradiation. En plus ou en variante les éléments absorbants ou bandes de la grille délimitent les zones à bas et haut niveau dtir- radiation dans la zone de culture peuvent être rendus réglables, comme dans un store vénitien, de manière à faire varier la longueur des zones à bas et haut niveau d'irradiation. Le mouvement de la grille et/ou le mouvement des éléments absorbants ou bandes à l'intérieur du dispositif peut être actionné par l'énergie solaire absorbée par la grille en utilisant des techniques connues, par exemple la dilatation ou la contraction d'un premier mobile, selon l'intensité du rayonnement solaire reçu par la grille.De tels ensembles peuvent facilement être conçus pour donner un rétard de réponse à des changements d'état de manière à empêcher que des changements de courte durée dans le rayonnement solaire provoquent des changements trops fréquents dans les zones alternées à haut et bas niveau d'irradiation. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description detaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'objet de l'invention est repré- senti à titre d'exemple non limitatif, au dessin annexé. La fig. 1 est une vue en plan d'une forme de réalisation du dispositif. La fig. 2 est une vue d'extrémité du dispositif représenté en plan à la fig. 1. La fig. 3 est une perspective schématique partielle du dispositif représenté aux fig. 1 et 2. Les fig. 1 à 3 représentent une série de tubes 1 à 10 réalisés en une matière transparente et reliés entre eux pour délimiter un trajet d'écoulement continu pour une suspension d'une matière photosynthétique dans un milieu nutritif aqueux. La fig. 3 montre les tubes logés dans un bâti 13 pour former une structure flottante 16 comportant des récipients de flottaison 14. Les tubes présentent une entrée 11 pour le milieu nutritif aqueux formant sortie pour les gaz ainsi qu'une sortie 12 pour le milieu formant entrée pour les gaz. Une grille mobile 15 representée aux fig. 1 à 3 est placée au-dessus des tubes de telle sorte que, ors du fonctionnement du dispositif, elle est placée entre les tubes et le soleil ou autre source de rayonnement. La fig. 3 représente la grille fixée à un bâti 13. La grille peut toutefois être suspendue audessus du bâti. La grille se compose d'un cadre rigide rectangu laird .17 présentant treize bandes. -ou lames 18 opaques de 6 centimètres de large environ s'étendant d'un bord du cadre à l'autre. Les bandes ou lames sont écartées de 6 cm environ. Les zones d'ombres formées sur les tubes par les bandes ou lames en protégeant ces tubes de l'irradiation solaire directe divisent ainsi les tu bes en une série de zones alternées de lumière et d'ombre dans lesquelles une suspension aqueuse d'une matière photosynthétique amenée à passer par ces tubes peut être alternativement soumise à une irradiation solaire directe et protégée de cette irradiation. L'entourage 17 de la grille et les bandes ou lames 18 comportent des dispositifs "pièges de chaleur" sur la surface supérieure prévus pour absorber le rayonnement solaire et convertir en énergie thermique le rayonnement absorbé. L'énergie ainsi formée est amenée à passer de la grille, par l'intermédiaire dlun conduit 19, vers un réservoir de stockage qui n'est pas représenté. L'énergie thermique ainsi récupérée peut être utilisée telle quelle ou transformée en énergie électrique. Lors du fonctionnement du dispositif, une suspension d'une culture d'une algue mpnocellulaire du type chlorella, dans un milieu nutritif aqueux, est amenée par pompage à- traverser le dispositif de manière à conférer un temps de maintien dans les zones alternées de lumière et d'ombre de l'ordre d'une seconde. De l'air présentant une teneur supplémentaire en dioxyde de carbone est amené par pompage vers les tubes du dispositif pour s'écouler en sens contraire de la suspension. La grille est mise en place sur la structure 16 lorsque l'irradiation solaire incidente s'élève audessus de 300 watts/m et cette grille est enlevée lorsque l'irradiation chute en dessous de 300 watts/m. Une irradiation audessus de 300 watts/m2 est dite "irradiation de haut niveau" pour l'ensemble.Des essais continus sur 2 heures sont alors effectués. On obtient des données de contrôle en faisant fonctionner le dispositif sans la grille pendant des jours où les conditions d'irradiation ou de rayonnement solaire sont semblables. La mise en place de la grille diminue de moitié l'énergie radiante reçue par les tubes. A titre de comparaison également, on fournit des données concernant la culture de la même algue à une époque antérieure de l'année lorsque l'intensité lumineuse totale reçue par les tubes en l'absence de la grille était environ la moitié de celle reçue au cours des essais précédents. Les-informations obtenues sont données au tableau 1. L'énergie obtenue à partir du rayonnement solaire absorbé par la grille est utilisée pour actionner les pompes de manière à amener la suspension et l'air à passer par les tubes et de manière à pasteuriser le milieu nutritif. Les données du tableau montrent qu'il n'existe aucune réduc tonde productivité lorsque l'énergie lumineuse totale reçue par les tubes du dispositif est diminuée de moitié par la mise en place de la grille. Ainsi, étant donné que de l'énergie est récupérée de la grille et qu'elle est utilisée dans le procédé conforme à la présente invention, il existe une augmentation considérable du rendement total. La comparaison d'expériences montre que, dans le procédé conforme à la présente invention, l'utilisation de l'énergie reçue par les tubes de l'appareil est élevée lorsqu'on la compare avec l'utilisation d'une quantité semblable d'énergie re çue sur un ensemble de culture non modifié et ne présentant pas une grille. X Moyenne des résultats ramenés à 24 heures. Nature de Heures de mise Energie solaire totale productivité l'essai date de l'essai en place de la tombant sur les tubes grammes/m/ grille et/ou la grille 24 heures (watts/m) Contrôle 12 mai 1976 - 4 700 9 Contrôle 13 mai 1976 - 4 690 10 Contrôle 14 mai 1976 - 4 533 10 Exemple 17 mai 1976 08.00 à 4 450 (approx. 2225 14.00 sur ensemble de cul- 10 ture) Exemple 18 mai 1976 08.00 à 4 900 (approx. 2450 14.00 sur ensemble de cul- 11 ture) Comparais#n 23-29 février - 2 386 7,7 1976 Comparais#n 12-18 mars - 2 233 6,7 1976 TABLEAU I REVENDICATIONS 1 - Procédé pour la culture ou le développement d'une matière photo synthétique en suspension dans un milieu nutritif aqueux, caractérisé en ce que l'on fait passer la suspension en présence de dioxyde de carbone par une série do zones alternées dans lesquelles la matière photosynthétique est alternativement soumise à une irradiation de haut niveau et en est protégée, lesdites zones étant formées en interposant entre la source de rayonnement et la matière photosynthétique des moyens permettant d'absorber au moins une partie du rayonnement et de récupérer au moins une partie de l'énergie de rayonnement absorbée, et en ce qu'on ré cupère de l'énergie à partir de ces moyens. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport du temps pendant lequel la suspension est soumise à une irradiation de haut niveau et en est protégée est compris entre 1 : 1 et 1 : 100. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la suspension est soumise à une irradiation de haut niveau pendant une période comprise entre 1 et 1/100 secondes dans chaque zone d'irradiation de haut niveau. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'irradiation est contrôlée de manière à déterminer lorsqu'elle atteint un haut niveau, en ce que lorsque l'irradiation atteint un haut niveau on introduit dans le chemin du rayonnement tombant sur la suspension les moyens prévus pour absorber au moins une partie du rayonnement et pour récupérer au moins une partie de l'énergie provenant du rayonnement absorbé, on continue de contrôler l'irradiation et on supprime ces moyens lorsque l'irradiation n'est plus de haut niveau. 5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens permettant d'absorber au moins une partie du rayonnement et de récupérer au moins une partie de l'énergie de rayonnement absorbée comprend une série d'éléments absorbant le rayonnement et écartés les uns des autres. 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les éléments absorbant le rayonnement sont des pièges de chaleur à partir desquels au moins une partie de l'énergie de rayonnement peut être récupérée. 7 - Procédé selon .une des revendications 1 à 6, caracté- risé en ce que la matière photosynthétique est constituée d'une cellule végétale contenant des chloroplastes. 8 - Dispositif pour la culture ou le développement d'une matière photosynthétique en suspens ion dans un milieu nutritif aqueux comprenant un récipient allongé, au moins en partie transparent et qui délimite un trajet pour l'écoulement de la suspension, caractérisé en ce que le récipient est combiné à des moyens permettant d'absorber le rayonnement solaire et de récupérer au moins une partie de l'énergie de rayonnement absorbée, ces moyens divisant le récipient en une série de zones alternées dans lesquelles la suspension peut être alternativement soumise à une irradiation de haut niveau et en être protégée. 9 - Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens permettant d'absorber le rayonnement solaire et de récupérer au moins une partie de l'énergie de rayonnement absorbée se composent d'une grille comprenant un cadre rigide présentant plusieurs éléments opaques, et notamment des bandes ou des lames s'étendant d'un bord du cadre à l'autre. 10 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le cadre et les éléments opaques comportent sur leur surface supérieure des dispositifs à pièges de chaleur qui peuvent absor- ber le rayonnement solaire et transformer le rayonnement absorbé en chaleur ou en énergie électrique. 11 - Dispositif selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que l'angle de la grille par rapport au rayonnement peut être réglé pour faire varier la longueur des zones à haut et bas niveau d'irradiation. 12 - Dispositif selon l'une des revendications 9 à 11, carac térisé en ce que les éléments opaques des grilles sont réglables à la façon de stores vénitiens de manière à permettre à la longueur des zones à haut et bas niveau d'irradiation de varier. 13 - Dispositif selon l'une des revendications 11 et 12, ca ractérisé en ce que le mouvement de la grille et/ou le mouvement des éléments opaques est actionné par l'énergie récupérée du rayonnement reçu par la grille. 14 - Dispositif selon l'une des revendications 8 à 13, carac térisé en ce que le récipient allongé se compose de plusieurs tu bes reliés entre eux pour former un trajet d'écoulement continu pour la suspension. 15 - Dispositif selon l'une des revendications 8 à 14, carac térisé en ce que des moyens sont prevus pour le faire flotter sur l'eau.