Brevet FR2564855A1 — publié le 19851129

Appareil amovible pour la production intensive et contrôlée de biomasse La présente invention, due aux travaux de Messieurs Aime FREYCHET du Commissariat à L'énergie atomique et Jean-Claude ROUX du CNRS, est relative, de manière très générale, à l'exploStation industrielle du phénomene de photosynthèse selon lequel L'action directe du rayonnement solaire favorise le développement de micro-organismes phototropes. Depuis quelques années, de nombreuses installations ont été réalisées dans le monde pour de telles cultures intensives, par exemple de phytoplancton (chlorelles, spirulines, scenedesmus, etc...). On sait que, pour chaque espece 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 intemperies, ou des températures élevees au-dessus du seuil supérieur de cette plage, inhibent ce phénomène de photosynthèse. La présente invention est relative, de manière plus precise, au cas où les micro-organismes sont en suspension dans une solution nutritive. Jusqu'à présent, selon l'art antérieur, la culture de tels micro-organismes en suspension est ef- fectuée en Laboratoire, dans des flacons ou tubes selon des processus discontinus ne mettant en oeuvre que des volumes réduits, et nécessitant un éclairage arti- ficiel et une thermorégulation coûteuse. Cette culture est aussi effectuée en plein air en bassins ouverts, mais posant des problèmes de pollution des solutions ou évaporation de celles-ci et sans qu'il soit possible de contrôler la température de la solution de micro-organismes. En outre, ce type de culture en plein air necessite des constructions rigides qui bloquent les terrains. Cette culture en plein air est donc ainsi effectuée uniquement ou presque dans des régions sujettes à des écarts de température saisonniers limités, ce qui exclut les régions à climat tempéré, et en outre ne revêt pas un caractère de production industrielle, -de masse, continue, et souple. L'invention a pour premier but de fournir des moyens industriels agencés pour permettre à de telles solutions nutritives de se trouver à des temperatures incluses à L'intérieur de la plage optimale de temperatures précitée et d'y être maintenues malgré les variations de conditions climatiques environnantes, de sorte qu'une culture optima le puisse être conduite en toutes regions climatiques. En outre, l'invention a encore pour but de choisir ces moyens industriels pour t'essentiel parmi des composants existants du commerce de telle sorte que l'appareil réalisé selon L'invention est ainsi d'un coût minimal, et de les agencer de telle sorte qu'ils constituent un appareil amovible et fonctionnent selon un processus de production industrielle, de masse et continue. A ces effets, l'invention a pour objet un appareil amovible pour La production intensive et con trôlée de biomasse du genre comprenant un canal dans lequel circule une solution nutritive chargée de micro-organismes et soumise à L'action directe du rayonnement solaire, caractérise en ce qu'il comporte, montés en série, des éléments modulaires formes chacun d'un premier conduit tubulaire longitudinal de section fermée en matière transparente au rayonnement solaire et d'un second conduit tubulaire longitudinal de section fermée en matière transparente au rayonnement so laie, accolé au premier conduit le Long au moins d'une partie de la surface extérieure de celui-ci ; la solution circulant dans L'un des conduits tubulaires tandis qu'un fluide de régulation thermique parcourt L'autre conduit tubulaire, les surfaces précitées d'accolement des deux conduits assurant L'échange des calories ent-re la solution et le fluide. De préférence, le fluide de régulation thermique est de l'eau. Selon un premier mode de mise en oeuvre de l'invention, L'appareil est caractérisé en ce que les deux conduits tubulaires longitudinaux de section fermée d'un élément modulaire sont constitués de deux tubes concentriques à section circulaire en matiere plastique transparente au rayonnement solaire, la so- lution nutritive chargée de micro-organismes circulant à L'intérieur d'un tube et l'eau de régulation thermique circulant dans L'autre tube. Une série successive de tels éléments modulaires utilisant des tubes du commerce peut être realisée pour former un appareil en serpentin. Selon un second mode de mise en oeuvre de l'invention, L'appareil est caracterise en ce que les deux conduits tubulaires longitudinaux de section fer mee d'un élément modulaire sont constitués par l'accolement de canaux de section carrée ou quasi-carree de panneaux-cloisons connus en soi en matière plastique transparente au rayonnement solaire du type comportant trois parois rectangulaires espacées les unes des autres par des entretoises orthogonales longitudinales ménageant ainsi ces deux ensembles plats de canaux longitudinaux à section carrée ou semi-carrée, cesdits panneaux étant modifies selon l'invention en compor tant, en outre, d'une part, deux embouts étanches le long de Leurs bords d'extrémité en regard desquels au moins une partie desdites entretoises s'arrête à proximite, et d'autre part, deux canalisations d'entrée et de sortie respectivement reliées au premier et au dernier des deux conduits tubulaires longitudinaux ainsi constitués. Une serie successive de tels éléments modulaires en panneaux peut être formée pour occuper à volonté la surface au sol à equiper. Grâce aux moyens précites proposes par L'invention, il devient possible aisément de cultiver du phytoplancton en plein air pour bénéficier du rayonnement solaire, et dans des systèmes de conduits fermés permettant un meilleur contrôle des populations cultivées par approvisionnement en élements nutritifs, gazeux et liquides. La circulation forcee d'eau permet de pouvoir fonctionner à temperature optimale constante sous tout climat. Le systeme des deux conduits fermés associes réalisés en matières plastiques et dans Lesquels circulent respectivement la culture en solution et l'eau de thermorégulation présente L'avantage d'être faci Lement mis en place sur n'importe quel terrain dégagé sans préparation particulière. La planitude et l'hori- zontalité ne sont même pas nécessaires et même les terrains en pente, à condition qu'ils soient exposés au sud pour l'hemisphère nord, et vice-versa, sont plus favorables pour un éclairement optimal. Ce système permet par ailleurs une souplesse totale d'exploitation puisque la va leur de la surface occupée peut être adaptee en fonction des besoins, tous les éléments modulaires du système etant amovibles et connectables à volonté aux éLéments adjacents. Les caractéristiques fonctionnelles et de réalisations pratiques de l'invention exposees ci- dessus, ainsi que les divers avantages qui en decou Lent, seront mieux compris à L'aide de La description suivante d'exemples de réalisation. On se référera aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement et en perspective un appareil selon L'invention réalisé à l'aide d'une série d'élements modulaires à deux tubes concentriques montés en circuit à serpentin, - la figure 2 représente en perspective des panneaux cloisons du commerce utilisables pour un second mode de réalisation de l'invention, - les figures 3 et 4 représentent, en coupe par III-III et IV-IV respectivement le panneau de la figure 2 après modifications, et - La figure 5 represente schématiquement un appareil complet utilisant de tels panneaux modifiés selon ce second mode de réalisation. L'élément modulaire de base de L'appareil à serpentin, représenté sur la figure 1, comprend essentiellement un tube creux interne 1, en matière plastique transparente ou translucide telle que celle connue couramment sous La dénomination commerciale de PVC. Ce tube 1 est place coaxialement à L'intérieur d'un second tube 2 en même matière. Ce montage coaxial des deux tubes est effectué dans des raccords spéciaux 3 à L'entrée et à la sortie du circuit en serpentin, et 4 pour le passage d'un élément modulaire au suivant du serpentin. Ces raccords, comprenant des corps avec des portées, des presse-étoupes, et des bouchons appropries, permettent L'établissement de deux circuits de circulation étanches l'un par rapport à L'autre ; le premier, circulant à L'intérieur de la suite en serpentin des tubes intérieurs 1, véhicule à vitesse lente la solution nutritive- chargée de micro-organis mes ; le second, circulant dans l'espace annulaire compris entre les tubes 1 et 2, vehicule en circulation forcée de L'eau de thermorégulation. Bien evidemment la circulation de la solution et de L'eau pourrait être inversée, c'est-à-dire l'eau circulant dans le tube intérieur 1 et la soLution dans L'espace annulaire entre les tubes 1 et 2. On a schématisé en 5 et 6 les canalisations complétant ces deux circuits, en 7 et 8 les moyens de pompage assurant la circulation des deux fluides respectifs, et 9 et 10 des réservoirs de stockage affectés à ces deux fluides. Des conduites d'arrivée 11 et 12 et de départ 13 et 14 relatives à ces deux reservoirs permettent d'alimenter ces reservoirs en fluide d'apport ou, au contraire, d'en extraire une partie. L'ensemble de l'appareil, dont La partie en serpentin constitue un échangeur thermique, voit cette régulation thermique obtenue par contrôle relatif des vitesses de circulation de la solution et de L'eau contrôlées par les pompes 7 et 8. Les raccords 4 comportent, en extrémité, un premier double coude 15 à 90" pour la solution ou L'eau de thermorégulation et, perpendiculairement au plan médian de ce premier coude, un deuxième double coude 16 à 900 pou-r L'eau de thermorégulation ou la soLution, cette disposition permettant de placer côte à côte Le plus près possible l'un de L'autre deux ele- ments modulaires successifs, et d'occuper ainsi le minimum de surface au sol pour un volume donné de culture. Dans le cas où L'eau de thermorégulation ne présente pas La transparence nécessaire on a interêt à La faire circuler dans Le tube intérieur. Tous les élements tubulaires qui sont utilisés pour la réalisation de ce système de conduits existent déjà dans le commerce, ce qui élimine les frais nouveaux d'études et de réalisations spéciales ; seules sont à réaliser Les pièces spéciales que constituent les raccords, encore que leur technologie reste tout à fait courante. Les tuyaux utilisés étant souples, ils peuvent épouser les irrégularités, même importantes, du sol sur lequel ils reposent. L'épaisseur des parois de ces tuyaux, de 3 à 4 mm, autorise des pressions de circulation des fluides suffisantes pour s'affranchir des contraintes dues à des déclivités moyennes. A titre d'exemple, dans un appareil réalisé comme décrit ci-dessus, on a réalisé une culture de chlorelle (algues vertes monocellulaires d'eau douce). Pour la culture à l'intérieur d'un élément modulaire tubulaire des tuyaux en PVC faisant 37 m de long pour un volume interne occupé par la solution de 11 litres, on a obtenu une densité cellulaire au plateau de croissance d'environ 400.106 cellules par ml de culture et, en régime continu, avec apport de milieu neuf et récupération de La suspension, une production de 16,5 g de cellules en poids sec par jour. On décrira maintenant un second mode de réalisation de L'invention utilisant, en les modifiant de maniére appropriée, des panneaux cloisons du commerce tels que celui représenté en perspective sur la figure 2. Ces panneaux, réalisés soit en matière plastique translucide, telle que du PVC, soit en matière plastique transparente, telle que du polycarbonate, comportent trois parois rectangulaires 20, 21 et 22 espacées les unes des autres par des entretoises orthogonales longitudinales 23 ménageant ainsi deux ensembles plats de canaux longitudinaux 24 et 25 à section carrée ou quasi-carrée. Les bords extrêmes de ces panneaux sont ouverts. Les deux bords lateraux comportent respectivement des parties mâle 26 et femelle 27 permettant l'assemblage côte à côte de plusieurs panneaux cloisons. Pour utilisation selon l'invention, on modifie ces panneaux comme représenté par les figures 3 et 4 qui sont des vues en coupe par III-III et IV-lV du panneau de la figure 2 après modifications. La figure 3 montre la partie de l'élément modulaire de circuit de circulation forcée réservée à l'eau de thermorégulation. Les entretoises 23 sauf les deux extrêmes, ont été raccourcies et s' arrêtent en regard et à proximite de deux embouts etanches 28. Une canalisation d'entree 29 introduit l'eau qui sort par la canalisation de sortie 30 selon un trajet en nappe illustré par Les flèches sur la figure 3. La figure 4 montre la partie de L'élément modulaire de circuit de circulation Lente reserve à la solution nutritive chargee de micro-organismes. Les entretoises 23, sauf les deux extrêmes, ont eté raccourcies successivement l'une vers l'embout étanche supérieur, la suivante vers l'embout étanche inférieur, et ainsi de suite... pour obtenir d'une canalisation d'entrée 31 vers une canalisation de sortie 32 une circulation en serpentin ou chicane de la solution chargée de micro-organismes. La figure 5 représente schematiquement un appareil réalisé par le couplage en serie de plusieurs éléments modulaires panneaux, tels que ceux representés sur Les figures 3 et 4, modifications du panneau de la figure 2. La figure montre le montage en série avec les entrées 29.1 et 31.1 du panneau pl en eau et en solution. Les sorties correspondantes 30.1 et 32.1 sont reliées aux entrées suivantes 29.2 et 31.2 du panneau p2, etc... Les circuits sont compLétés par les mêmes moyens de circulation, pompage et stockage que dans le cas de la figure 1 et sont donc repérés par les mêmes numéros de reférence. Ces différents moyens de contrôle du fonctionnement des deux circuits distincts de l'appareil, ainsi schématisés, peuvent être également prévus entre sous-groupes de plusieurs éléments modulaires montés en série. Les panneaux du commerce, utilisés après modification selon l'invention pour réaliser ce deuxieme mode de mise en oeuvre, sont, par exemple, des panneaux de 6 m de long, 0,25 m de large et 0,04 m d'épaisseur. Le systeme de conduits de cette réalisation, comme dans Le cas de la premiere décrite, a l'avantage d'utiliser des panneaux du commerce. La réalisation des embouts étanches d'extrémité est aisee, par exemple par simple fraisage de plaques de matière plastique. Le collage étanche de ces embouts aux extrémités du panneau s'effectue a L'aide de colles apporteuses de matière. Du fait de la minceur des entretoises, toute la surface utile du panneau est occupée par la suspension cellulaire, ce qui permet d'obtenir un très bon rapport surfacelvolume utile. La disposition en deux couches planes accolées de plusieurs conduits tubulaires longitudinaux côte à côte parcourus respectivement par la suspension et L'eau de thermorégulation permet de mettre en place les panneaux sur le sol de telle manière que l'eau de thermorégulation est située au-dessus en été pour assurer l'évacuation rapide des calories solaires et, au contraire, au-dessous en hiver, ce qui isole la suspension du sol froid et permet un apport rapide de calories. Dans le cas d'une régulation par des rejets thermiques industriels, c'est-à-dire d'eau chaude même très chargée en particules, l'avantage du dispositif permet de thermoréguler La suspension par dessous, ce qui ne gene pas l'absorption lumineuse et évite les frais d'une épuration de L'eau. Expérimentalement, avec un appareil réalisé selon ce second mode de réalisation, on a conduit une culture thermorégulée en plein air qui a permis d'obtenir une densité cellulaire au plateau de croissance de 480.106 cellules par ml pour une surface de 1,28 20 g de m2. En culture continue on a2récupéré par 2 cellules en poids sec, par m2 et par jour. Les applications industrielles des cultures intensives de phytoplancton à un prix de revient eco- nomique peuvent avoir de nombreuses applications agroalimentaires selon l'organisme cultivé : - comme source de nourriture directe pour La conchyli culture, en général, et t'ostréiculture en particu lier (diatomées marines), - comme source de nourriture pour l'élevage de proies vivantes (rotiferes, crustacés) destinées aux ale vins de poissons chasseurs (bar, daurade, ...), - comme source de proteines pour L'alimentation anima le ou même humaine (spirulines, chlorelles,...), - pour l'extraction de produits à haute valeur ajoutée commerciale comme les phycocolloides (agar-agar, carraghenanes, alginates) qui servent à l'industrie alimentaire et pharmaceutique (cultures de porphy ridium,...) ou des hydrocarbures (botryococus,...). La condition favorable dans le contexte actuel est de pouvoir disposer de sources chaudes å faible prix de revient : rejets thermiques industriels, capteurs solaires, pompes 9 chaleur, etc... toutes sources chaudes qui, à l'évidence, peuvent être utilisées pour le chauffage de l'eau de thermorégulation d'un appareil selon l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil amovible pour la production intensive et contrôlée de biomasse du genre comprenant un canal dans lequei circule une solution nutritive chargée de micro-organismes et soumise à l'action directe du rayonnement solaire, caractérisé en ce qu'il comporte, montés en série, des éléments modulaires formes chacun d'un premier conduit tubulaire longitudinal de section fermée en matière transparente au rayonnement solaire 1 i1), figure 1, (25) figure 20 et d'un second conduit tubulaire longitudinal de section fermée en matière transparente au rayonnement solaire [(2) figure 1, (24) figure 23 , accole au premier conduit le long au moins d'une partie de la surface extérieure de celui-ci ; la solution circulant dans l'un des conduits tubulaires tandis qu'un fluide de régulation thermique parcourt L'autre conduit tubulaire, les surfaces précitées d'accolement des deux conduits assurant l'échange des calories entre la solution et le fluide. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux conduits tubulaires longitudinaux de section fermée d'un élément modulaire sont constitués de deux tubes p(1) et (2), figure 1 concentriques à sections circulaires en matière plastique transparente au rayonnement solaire, la solution nutritive chargée de micro-organismes circulant à L'intérieur d'un tube et l'eau de régulation thermique circulant dans L'autre tube. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux conduits tubulaires lon- gitudinaux de section fermée d'un élément modulaire sont constitues par l'accolement de canaux de section carrée ou quasi-carrée25) et (24), figure 2 3 de panneaux cloisons connus en soi en matière plastique transparente au rayonnement solaire du type comportant trois parois rectangulaires [(20), (21), et (22)3 es pacées les unes des autres par des entretoises orthogonales longitudinales (23) ménageant ainsi ces deux ensembles plats de canaux longitudinaux à section carrée ou quasi-carrée, cesdits panneaux étant modifiés selon l'invention en comportant, d'une part, deux embouts étanches (28) le long de lueurs bords d'extrémité en regard desquels au moins une partie desdites entretoises (23) s'arrente à proximité et, d'autre part, deux canalisations d'entrés t(29) et (31)3 et de sortie (30) et (32)3 respectivement reliées au premier et au dernier des deux conduits tubulaires Longitudinaux ainsi constitués.