Brevet FR2564854A1 — publié le 19851129

Photobioréacteur La présente invention est relative, de maniére très générale, à l'exploitation industrielle du phénomène de photosynthèse selon lequel L'action directe du rayonnement solaire favorise le développement de microorganismes. On sait que, pour chaque espèce vivante, la réaction photosynthétique qui Lui correspond a un rendement optimal dans une plage de températures bien définie. A contrario, des températures basses au-dessous du seuiL inférieur de cette plage, résultant du froid généré par la nuit ou des intempéries, ou des températures élevées, au-dessus du seuil supérieur de cette plage, inhibent ce phénomène de photosynthèse. La présente invention est relative, de manière plus précise, au cas ou les micro-organismes sont en suspension dans une solution nutritive. Jusqu'3 présent, selon L'art antérieur, La culture de tels micro-organismes en suspension est effectuee en Laboratoire dans des flacons ou tubes selon des processus discontinus ne mettant en oeuvre que des volumes réduits, et nécessitant un éclairage artificiel et une thermoréguLation coûteuse. Cette culture est aussi effectuée en plein air en bassins ouverts posant des problèmes de pollution des solutions ou évaporation de celles-ci, sans qu'il soit possible de contrôler La température de la solution de micro-organismes. Cette culture en plein air est donc ainsi effectuée uniquement ou presque dans des régions sujettes à des ecarts de température saisonniers limités, ce qui ex clut les régions à climat tempéré, et en outre ne revêt pas un caractère de production industrielle, de masse et continue. L'invention a pour premier but de fournir des moyens agencés pour permettre à de telles solutions nu tritives de se trouver à des températures incluses à L'intérieur de la plage optimale de températures précitée et d'y être maintenues malgré les variations de conditions climatiques environnantes, de sorte qu'une culture optima le puisse etre conduite en toutes régions climatiques. En outre, L'invention a encore pour but d'agencer ces moyens pour qu1 ils fonctionnent selon un processus de production industrielle, de masse et continue. A ces effets, l'invention a pour objet un photobioreacteur du genre comprenant un canal dans lequel circule une soL ilion nutritive chargée de microorganismes et soumise à L'action directe du rayonnement solaire, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un premier conduit longitudinal ayant une section allongée fermée et susceptible d'être traversé par Le rayonnement soLaire, et un deuxième conduit LongitudinaL ayant une section allongée fermée accoLe au premier conduit et sépare de Lui par des moyens de séparation susceptibLes d'être traverses par le rayonnement soLaire, ces deux conduits à section allongée et accolés L'un à L'autre constituant un échangeur thermique et etant chacun relie par des canalisations et des moyens de pompage à des réservoirs respectifs de stockage, de telle sorte que peuvent circuler à contre-courant et respectivement dans ces deux conduits, d'une part, la solution nutritive chargée de micro-organismes et, d'autre part, un liquide de régulation thermique. On comprend que, avec un teL photobioréacteur soumis au rayonnement soLaire, d'une part la solution nutritive chargée de micro-organismes et circulant dans L'un des conduits est le siège d'une réaction photosynthetique et que, d'autre part, le liquide de régulation thermique peut s'échauffer ou se refroidir en fonction de l'environnement thermique et maintenir la température optimale de La solution nutritive en fonction des calories échangées avec cette solution en fonction des débits relatifs contrôlés dans les deux conduits. L'invention peut être mise en oeuvre de differentes manières. Selon une première réalisation simplifiée, le photobioréacteur est caractérisé en ce qu'il comporte une canalisatFon longitudinale de section rectangulaire, dont le fond et les deux faces latérales sont réalisés en matériau isolant thermiquement, et qui est subdivisée par un vitrage intermédiaire et un vitrage supérieur pour former les deux conduits précités. Dans le cadre de cette première realisation, et selon une caractéristique supplémentaire, le vitrage intermédiaire est un vitrage sélectif arrêtant le rayonnement infrarouge, et la solution nutritive chargee de micro-organismes circule dans le conduit inférieur tandis que le liquide de régulation thermique circule dans Le conduit supérieur, de sorte que seul ce liquide est soumis audit rayonnement infrarouge. Selon une seconde réalisation, le photobioreacteur est caractérisé en ce que les deux conduits Longitudinaux à section allongée fermée superposés sont constitués chacun de plusieurs gaines souples distinctes à section allongée disposées côte à côte longitudinalement. Selon une caractéristique supplémentaire de cette seconde réalisation, le conduit longitudinal in férieur est constitué de plusieurs gaines souples distinctes à section allongée réalisées en une matière de couleur noire et le liquide de régulation thermique circule à L'intérieur de ce conduit longitudinal inférieur, et le conduit longitudinal supérieur est constitué de plusieurs gaines souples distinctes à section allongée réalisées en une matière transparente et la solution nutritive chargée de micro-organismes circule à L'intérieur de ce conduit longitudinal supérieur. Selon une troisième réalisation, te photobioréacteur est caractérisé en ce que les deux conduits longitudinaux à section allongée fermée superposés sont constitués par trois bandes tongitudinales en matière souple soudées entre elles par leurs bords longitudinaux. Selon une caractéristique supplémentaire de cette troisième réalisation, La bande longitudinale souple intermédiaire est réalisée en une matière semiréfléchissante et le conduitinférieur est parcouru par le liquide de régulation thermique tandis que le conduit supérieur est parcouru par La solution nutritive chargée de micro-organismes, de sorte que cette solu- tion est soumise à La partie du rayonnement solaire qui L'a traversé et n'a pas éte absorbé. Selon une caractéristique supplémentaire de cette seconde ou troisième realisation, les deux conduits longitudinaux superposés sont loges à L'intérieur d'un troisième conduit longitudinal souple dont au moins la face supérieure est transparente au rayonnement solaire, de manière à obtenir un effet de serre L'invention, telle qu'exposée ci-dessus, sera mieux comprise à L'aide de La description suivante de différents exemples, non limitatifs, de mi ses en oeuvre conformes aux différents modes possibles de réalisation mentionnés ci-dessus. Cette description sera faite en référence au dessin annexé, sur lequel tes figures 1, 2 et 3 repré- sentent, très schématiquement, ces différentes réali- sations de photobioréacteurs selon t'invention. Selon la première réalisation représentée sur la figure 1, une canalisation 1, réalisée en matie- re semi-rigide ou rigide, de section rectangulaire ouverte sur sa face supérieure, est posée sur le sol, ou partiellement enterree. Les parois du fond et des deux faces latérales en regard de cette canalisation sont re vetues d'une couche 2 d'un matériau isolant thermique pour éviter toute déperdition de calories. La canalisation 1 est subd; viste à l'aide d'un vitrage Longitudinal intermédiaire 3 et d'un vitrage Longitudinal supérieur 4 en deux conduits Longitudicnaux de section rectangulaire allongée fermée 5 et 6. Le conduit inférieur 5, dans lequel circule la solution nutritive chargée de micro-organismes, est délimité sur sa face supérieure par le vitrage intermédiaire 3 qui est sélectif et ne laisse parvenir aux cultures que le rayonnement visible et ultraviolet du spectre solaire. Le rayonnement infrarouge, arrêté par ce vitrage sélectif intermédiaire 3, ne traverse donc en L'échauffant que l'eau de régulation thermique circulant dans le conduit supérieur 6 fermé sur sa face supérieure par le vitrage 4 qui est transparent. Le circuit fermé parcouru par la solution de micro-organismes est complété par des canalisations 10, un réservoir de stockage 11, et une pompe 12. Le circuit fermé parcouru par l'eau de régulation thermique est complété par des canalisations 7, un réservoir de stockage 8, et une poupe 9. Ces deux circuits sont indépendants l'un de l'autre et permettent une circulation relative à corn tre-courant de la sol ilion nutritive et de liteau de régulation . L'excédent de chaleur diurne est emmagasiné dans le réservoir de stockage d'eau 8 pour éviter pen dant la journée aux micro-organismes de voir croître leur température. Pendant la nuit, La culture de micro-organismes est maintenue en température optimale grâce à la circulation de l'eau de régulation thermique. Cette régulation est obtenue en agissant de façon appropriee sur Les débits des pompes 9 et 12 équipant respectivement Les circuits d'eau et de solution nutritive. On décrira maintenant, en reference à la figure 2, une seconde réalisation de L'invention. Selon cette réalisation, le photobioreacteur comprend un premier conduit longitudinal formé par La juxtaposition côte à côte de plusieurs gaines 13 à section allongez. fermee en matière souple de couleur noire dans lequel circule de l'eau de régulation thermique. Le circuit fermé de circulation de cette eau comporte par ailleurs des canalisations 14, un réservoir de stockage 15 et une pompe 16. Superposé au-dessus de ce premier conduit, on place un second conduit longitudinal formé par la juxtaposition côte à côte de plusieurs gaines 17 à section allongée fermée en matière souple transparente dans le- quel circule la solution nutritive chargée de microorganismes. Le circuit fermé de circulation de cette solution nutritive comporte par ailleurs des canalisations 18, un reservoir de stockage 19 et une pompe 20. Au-dessus de L'ensemble ainsi forme est disposée une couverture 21 en matière pLastique transparente qui permet, en demi-saison, d'obtenir un effet de serre. Comme dans l'exemple précédent, la régulation thermique est obtenue en jouant sur les debits relatifs des pompes 16 et 20. On se référera maintenant à la figure 3 pour décrire un troisième mode de réalisation d'un photobio réacteur selon l'invention. Selon cette réalisation, on forme trois conduits longitudinaux de section allongée fermée 22, 23 et 24 à l'aide de quatre bandes de matières souples 25, 26, 27 et 28 soudées entre elles le Long de leurs bords longitudinaux 29. Ces bandes pouvant être realisées en hauts polymères pLastiques, ont des largeurs de 0,2 à 1,0 m et des Longueurs allant jusqu'à 80 m. Le premier conduit 22 est réservé à la circulation de L'eau de régulation thermique. Le circuit de cette eau est compléte à L'aide de canalisations 30, d'un réservoir de stockage 31 et d'une pompe 32. Le second conduit 23 est réservé à la circulation de la solution nutritive chargée de micro-organismes. Le circuit de cette solution est complété à l'aide de canalisations 33, d'un réservoir de stockage 34, et d'une pompe 35. Le mode opératoire de la partie active du photobioréacteur est le suivant : Le rayonnement solaire total traverse d'abord la première surface vitreuse 28 transparente au rayonnement solaire pour pénétrer dans le conduit 24 à effet de serre puis, à travers la seconde surface vitreuse 27 transparente au rayonnement solaire, pénétrer dans le conduit 23 dans lequel circule la solution nutritive chargée de micro-organismes ; la surface de la bande 26, qui est semi-réfléchissante, renvoie dans la solution du conduit 23 les rayons non précédemment absorbés ; le rayonnement solaire atteint enfin le conduit 22 dans lequel circule l'eau de régulation thermique. Comme dans Les exemples précédents, les circulations de solution nutritive et d'eau de régulation s'effectuent à contre-courant et la régulation thermique est obtenue en contrôlant les débits respectifs des pompes 32 et 35. On peut prélever, par la canalisation 36 de la solution riche et reintroduire ensuite par la canalisation 37 de la solution pauvre. Il est bien évident que Les exemples ci-dessus ne sont qu'illustratifs et que L'invention peut s'étendre à d'autres réalisations. REVENDICATIONS 1. Photobioréacteur du genre comprenant un canal dans lequel circule une solution nutritive chargée de micro-organismes et soumise à l'action directe du rayonnement solaire, caractérisé en ce qu'il comporte, au moins, un premier conduit 5(6), figure 1 ; (17), figure 2 ; (23), figure 33 longitudinal ayant une section allongée fermée et susceptible d'être traversé par le rayonnement solaire, et un deuxième conduit r (5), figure 1 ; (13), figure 2 ; (22), figure 3] longitudinal ayant une section allongée fermée accolé au premier conduit et séparé de lui par des moyens de séparation r (3) figure 1 ; surfaces en regard des gaines (13) et (17), figure 2 ; (26), figure 33 susceptibles d'être traverses par le rayonnement solaire, ces deux conduits à section allongée et accolés L'un à L'autre constituant un échangeur thermique et étant chacun relié par des canalisations [(7) et (10), figure I ; (14) et (18), figure 2 ; (30) et (33), figure 3 3 et des moyens de pompage (9) et (12), figure 1 ; (16 et (20), figure 2 ; (32 et (35), figure 3 3 à des réservoirs respectifs de stockage t(8) et (11), figure 1 ; (15) et (19), figure 2 ; (31) et (34), figure 33, de telle sorte que peuvent circuler à contre-courant et respectivement dans ces deux conduits, d'une part, la solution nutritive chargee de micro-organismes et, d'autre part, un liquide de régulation thermique. 2. Photobioréacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une canalisation longitudinale de section rectangulaire (1), dont le fond et Les deux faces latérales sont réalisés en matériau (2) isolant thermiquement, et qui est subdivisee par un vitrage intermédiaire (3) et un vitrage su périeur (4) pour former les deux conduits précités et et (6), figure 1 I 3. Photobioréacteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le vitrage intermédiaire (3) est un vitrage sélectif arrêtant le rayonnement infrarouge, et la solution nutritive chargée de microorganismes circule dans le conduit inférieur (5) tandis que le liquide de régulation thermique circule dans le conduit supérieur (6), de sorte que seul ce liquide est soumis audit rayonnement infrarouge. 4. Photobioréacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que Les deux conduits longitudinaux à section allongée fermée superposes sont constitués chacun de plusieurs gaines souples distinctes (13) et (17) à section allongée disposées côte à côte longitudinalement (figure 2). 5. Photobioréacteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le conduit longitudinal inférieur est constitué de plusieurs gaines souples distinctes (13) à section allongée réalises en une matière de couleur noire et le liquide de régulation thermique circule à L'intérieur de ce conduit longitudinal inférieur, et le conduit longitudinal supérieur est constitué de plusieurs gaines souples distinctes (17) à section allongée réalisées en une matière transparente et la solution nutritive chargee de micro-organismes circule à t' intérieur de ce conduit longitudinal supérieur. 6. Photobioréacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux conduits longitudinaux à section allongée fermee superposés (22) et (23) sont constitues par trois bandes longitudinales (25, (26) et (27) en matière souple soudé-es entre elles par leurs bords longitudinaux (29), (figure 3). 7. Photobioréacteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la bande longitudinale souple intermédiaire (26) est réalise en une matière semi-réfléchissante et le conduit inférieur (22) est parcouru par Le liquide de régulation thermique tandis que le conduit supérieur (23) est parcouru par la solution nutritive chargee de micro-organismes, de sorte que cette solution est soumise à la partie du rayonnement solaire qui l'a traversé et n'a pas été absorbé. 8. Photobioréacteur selon L'une quelconque des revendications 4 ou 6, caractérisé en ce que les deux conduits longitudinaux superposés (13) et (17), figure 2 ; (22) et (23), figure 33 sont logés à l'inté- rieur d'un troisième conduit Longitudinal souple (21), figure 2 ; (24), figure 3] dont au moins la face supérieure est transparente au rayonnement solaire, de manière à obtenir un effet de serre.