Brevet FR2576034A1 — publié le 19860718

PROCEDE ET DISPOSITIF DE PRODUCTION DE MATIERES PREMIERES HYDROCARBONEES PAR PHOTOSYNTHESE L'invention se rapporte à un procédé et à une installation de production de matières premières hydrocarbonées par photosynthèse. La biotechnologie solaire est un procédé de conversion de L'énergie solaire intermédiaire entre les procédés tels que la conversion photoélectrique à hautes performances et à investissements élevés et l'agriculture à faible efficacité et investissements légers. L'élaboration par la cellule végétale de molécules à nombreux atomes de carbone se fait progressivement à partir du gaz carbonique et il est possible de détourner l'activité cellulaire vers la production de composés tels que des molécules à quelques atomes de carbone, par exemple le glycérol, de molécules à quelques dizaines d'atomes de carbone telles que les hydrocarbures, de molécules à quelques centaines d'atomes de carbone, telles que les biopolymêres. En combinant ainsi les opérations de culture et de conversion, on peut multiplier la productivité d'un facteur 10.En d'autres termes, un hectare de culture de végétaux inférieurs réalise la photosynthèse d'autant de matières que dix hectares de culture traditionnelle. Un photobioréacteur clos est constitué par une enceinte horizontale de quelques centimètres d'épaisseur dont la paroi supérieure est transparente à la lumière. Il est parcouru par une suspension de cellules photosynthétiques dans un milieu nutritif. Sous l'action du flux solaire, Les cellules transforment le gaz carbonique présent dans le milieu nutritif sous forme de C02 dissous libre, de H2C03, de HCO3 -- et de C03--, en matières premières hydrocarbonées. L'oxygène est le principal sous-produit de cette transformation biochimique appelée photosynthèse. Toutefois, afin qu'un bon fonctionnement du photobioréacteur soit assuré, il est nécessaire qu'un grand nombre de phénomènes physiques (tels que la température, la Lumière), chimiques (salinité) et biologiques (concentration en cellules photosynthétiques) soient maitrisés. Ainsi, pour que l'échange de matières entre les cellules photosynthétiques et les sels minéraux soit assuré dans les meilleures conditions, il est nécessaire que ces cellules soient parfaitement dispersées dans le milieu nutritif. Ce n'est pas tout à fait le cas dans les photobioréacteurs connus, dans lesquels on observe un dép8t des cellules photosynthétiques sur le fond et sur les parois latérales du photobioréacteur. Cette fixation est également importante sur les parois supérieures, en particulier dans le cas où il exi-ste des poches gazeuses qui, d'une part, favorisent l'adhérence des cellules photosynthétiques à la paroi du photobior-éacteur et, d'autre part, créent une atmosphère riche en oxygène qui peut être toxique pour les cellules.Les dépôts ainsi formés diminuent considérablement la transparence à la lumière de la paroi supérieure et entraînent donc une moins bonne utilisation de l'énergie solaire. D'autre part, La dispersion des cellules dans le milieu est mauvaise. Le procédé et le dispositif de L'invention remédient à ces inconvénients. Ils permettent d'obtenir une bonne dispersion des cellules dans le milieu nutritif, d'éviter les dépôts internes et d'éliminer les poches gazeuses. Selon le procédé de L'invention, on introduit des billes dans la suspension de microorganismes photosynthétiques. Ces billes assurent une agitation du milieu aqueux et un nettoyage par frottement des parois. Lorsque l'on craint une sédimentation des par ticules, c'est-à-dire un dépôt sur le fond, on choisit, pour réaliser les billes, un matériau de densité supérieure à celle du milieu nutritif. En revanche, lorsque les risques d'accrochage à la paroi supérieure prédom-inent, les billes sont réalisées en un matériau de densité inférieure à celle du milieu nutritif. Comme on le décrira par la suite, on peut également utiliser plusieurs sortes de billes. De préférence, ces billes sont réalisées en un polymère élastique. Leur diamètre et leur dureté, liés au matériau choisi, et à la mise en forme de ce matériau, sont fonction de la géométrie du circuit du photobioréacteur et de la nature des cellules photosynthétiques mises-en oeuvre. Il va de soi que le polymère sélectionné doit être compatible avec les cellules cultivées. La vitesse de circulation et le volume relatif des billes ramené au volume total du milieu nutritif doivent être déterminés expérimentalement. L'invention a également pour objet une installation de production de matières hydrocarbonées par photosynthèse. Cette installation comprend une enceinte présentant une paroi supérieure transparente à la lumière constituant un photobioréacteur, une suspension de microorganismes photosynthétiques contenue dans ladite enceinte, un composant assurant une circu lation de ladite suspension dans le photobioréacteur, et au moins un carbonateur désoxygénateur. ELle se caractérise en ce qu'elle comporte des billes présentes dans ladite enceinte, et des moyens pour assurer La circulation des billes. Ce système, plus ou moins dépendant du mode de circulation principal, peut être incorporé directement en série sur le circuit principal avec les autres composants ou nécessiter la mise en dérivation soit de quelques uns des autres composants, soit de lui-meme. Selon une réalisation particulière les moyens pour assurer la circulation des billes sont constitués par La pompe de circulation du circuit principal. Selon une autre réalisation particulière, L'installation comporte un panier de récupération des billes constitué dtun premier compartiment monté sur la branche aller du circuit et d'un second compartiment monté sur la branche retour de ce circuit, Ledit panier étant monté pivotant de manière que Les premier et second compartiments puissent être inversés. Selon une troisième réalisation particulière, une grille d'arrêt des billes est montée sur la branche retour du circuit, une pompe de circulation des biLles étant montée en dérivation entre l-es branches aller et retour du circuit en amont de ta grille. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront encore à la tecture de la description qui suit dlun exemple de réalisation, donné à titre illustratif, en référence aux figures an nexées. La figure 1 est une vue schématique en perspective d'une installation de production de matières premières hydrocarbonées par photosynthèse conforme à la présente invention. La figure 2 est un graphique comparant l'evolution de ta concentration en microorganismes en fonction du temps dans un photobioréacteur de l'invention avec celte de ces memes cellules dans un photobioréacteur de l'art antérieur, Les figures 3 à 5 représentent trois variantes de réalisation d'une installation de production de matières premieres hydrocarbonées par photosynthèse conforme à L'invention. L'installation représentée sur la figure 1 comporte un photobioréacteur 2 clos constitué par une canalisation généralement tubulaire, transparente à la lumière 5, d'une longueur variable selon Les conditions et la nature de la culture et d'un diamètre pouvant aller de quelques mm à quelques cm. Un milieu nutritif comportant des cellules photosynthétiques en suspension circule dans le photobioréacteur 2. Une pompe 4 ne cisaillant pas les cellules associée à un carbonateur désoxygénateur 6 permet de recharger le milieu nutritif en C02 et d'éliminer l'O2. Cette pompe est par exemple une pompe tri-lobe ou une pompe à vis 3 d'Archimède. Son débit peut varier de 50 l à 1 m par heure. La suspension de microorganismes est mise en circulation par une pompe 10. Cette pompe ne doit pas cisailler Les cellules photosynthétiques. Dans L'exemple de réalisation décrit, la pompe 10 est une pompe à effet vortex. Sôn débit varie de 0,5 à 2 m par heure. Le rôle du carbonateur 6 est de fournir du gaz carbonique au photobioréacteur afin d'enrichir la teneur du milieu nutritif. Il permet d'autre part l'évacuation de l'oxygène qui se forme pendant la pho tosynthèse. Un mélange d'air et de gaz carbonique est amené au carbonateur désoxygénateur par une canalisation 8. Conformément à l'invention, on introduit des billes dans le photobioréacteur afin d'assurer un brassage du milieu nutritif et éviter la formation de dépôts ou de sédiments. La circulation des billes 3 est assurée au moyen de la pompe 10 en même temps que la circulation du milieu nutritif. Les pertes de charge provoquées par la présence des billes 3 sont très faibles en raison de la faible vitesse de circulation du milieu nutritif dans le photobioréacteuret en raison du diamètre inférieur ou égal, ou très légèrement supérieur des billes par rapport à celui du photobioréacteur. D'autre part, le glissement d'une phase par rapport à une autre phase est minimisé. En effet, dans le photobioréacteur, on trouve trois phases, une phase liquide, une phase solide et une phase gazeuse. Par suite du brassage provoqué par la présence des billes 3, ces trois phases sont mélangées et se déplacent à la même vitesse, sans formation de poches gazeuses ni dépôts de sédiments. Les billes 3 sont en polymères élastiques. La densité de ces billes peut être supérieure ou inférieure à celle du milieu nutritif. On peut également utiliser simultanément deux types de billes, 3, des billes dont la densité est supérieure à celle du mi-lieu nutritif et d'autres dont la densité est inférieure à celle du milieu nutritif, afin d'assurer un frottement à la fois sur le fond et sur la partie supérieure du photobioréacteur. On peut également utiliser des assemblages de deux ou plusieurs types de billes de diamètres différents ou de même diamètre afin d'assurer le frottement en tous points des tubes du photobioréacteur, et notamment sur ses parois latérales. Selon une variante de réalisation, on utilise des boules très spongieuses. Ces boules circulent d'abord à la partie supérieure du photobioréacteur, ce qui assure un nettoyage de sa paroi supérieure et évite la formation de poches gazeuses. Au bout d'un certain temps, les boules se remplissent d'eau et s'alourdissent. Elles tombent au fond du réacteur, ce qui assure un nettoyage de sa paroi inférieure. Enfin, selon une variante du procédé de L'invention, l'introduction des gaz nécessaires à la photosynthèse se fait par injection directe en un point du photobioréacteur et ensuite par entraînement le long du réacteur à L'aide de billes ou de boules en caoutchouc spongieux. On a représenté sur les figures 3 à 5 des variantes de réalisation d'une instatlation de production de matières premières bydrocarbonées par photosynthèse conforme à l'invention. La figure 3 est identique à la figure 1 à l'exception du fait que le carbonateur désoxygénatéur 6 permet la circulation des billes. Il a donc été monté directement sur la branche aller du photobioréacteur clos 2. Par conséquent, la pompe 4 qui, dans le mode de réalisation de la figure 1 était associée au photobioréacteur n'est plus nécessaire. La pompe de circulation 10 permet la circulation des billes Il s'agit par exemple d'une pompe à effet vortex Le mode de réalisation de la figure 4 comporte un panier de récupération des billes 12 qui comporte deux compartiments 14 et 16. Le compartiment 14 est monté sur la branche aller du circuit du photobioréacteur et le compartiment 16 est monté sur la branche retour de ce circuit.Le panier 12 est monté pivotant de 1800 de telle manière que, lorsque l'on tourne le panier, les compartiments 14 et 16 sont inversés. Durant le fonctionnement de l'installation, les billes sont retenues dans le compartiment 16 et s'y accumulent. Lorsque le compartiment 16 est plein, on fait pivoter le panier 12 de 1800 de manière à inverser la position des compartiments 14 et 16. Les billes qui se trouvent dans le compartiment 16 pe-uvent alors etre réintroduites dans le circuit par la circulation du fluide. Dans Le mode de réalisation de la figure 5, on a monté une grille d'arret des billes 18 sur la branche retour du photobioréacteur. Une pompe spéciale de circulation des billes 20 est montée en dérivation sur Les branches aller et retour du circuit en amont de la grille 8 par rapport au sens de l'écoulement de la suspension La pompe 20 est par exemple une pompe à effet vortex. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire que la pompe du circuit principal soit une pompe qui permette la circulation des billes. On peut donc utiliser une pompe de type quelconque. Etant donné que le carbonateur désoxygénateur 6 n'est pas traversé par les billes, car il est situé en amont de la pompe 20, il n'est pas nécessaire qu'iL permette La circulation des billes. Il est monté directement sur circuit. EXEMPLE D'APPLICATION Le procédé de L'invention a été testé sur plusieurs photobioréacteurs comprenant un récepteur solaire tubulaire en polyéthyléne éclairé en Lumière artificielle ou solaire, un système d'injection de CO2 et d'extractin de l'oxygène dissous en parallèle sur le circuit principal, et une pompe de circulation permettant la recirculation des billes en caoutchouc. On a représenté sur La figure 2 une courbe de densité optique en fonction du temps d'une suspension de porphyridium '-cruentum. Comme on peut Le constater, la croissance des cellules végétales en suspension et par conséquent récupérables dans un système industriel est beaucoup plus rapide avec des billes selon l'invention? qu'en l'absence de billes. Le procédé de l'invention permet, moyennant un surcoût très faible, de quelques X, de conserver les cellules photosynthétiques en suspension, d'éli- miner les poches gazeuses et de maintenir la transparence de la paroi supérieure du photobioréacteur et de supprimer ainsi plusieurs phénomenes parasites responsables d'une baisse de productivité du photobioréacteur. En outre, l'invention s'applique à tout système de captation de L'énergie lumineuse où le main tien de la transparence d'une paroi est indispensable, comme par exemple un capteur solaire. Elle s'applique également à tout système de chauffage ou la présence de poches gazeuses réduit les transferts de chaleur (paillage radiant pour chauffage de serres, par exemple). Dans le cas du photobioréacteur, l'utilisation de ces billes permet une thermorégulation par aspersion d'eau qui serait peu efficace en L'absence de ce système. REVENDICATIO-NS 1. Procédé de production de matières premières hydrocarbonées par photosynthèse, dans lequel on fait circuler une suspension de particules photosynthétiques dans une enceinte (2) présentant une paroi supérieure transparente, caracterisé en ce qu'on introduit des billes (3) dans la suspension. 2. Installation de production de matières hydrocarbonees par photosynthèse comprena-nt une enceinte (2) formant un circuit fermé et présentant une paroi supérieure transparente constituant un photobioréacteur, une suspension de particules photosynthétiques contenue dans ladite enceinte (2), une pompe (10) assurant une circulation de Ladite suspension dans le photobioréacteur et au moins un carbonateur désoxygénateur (6), caractérisée en ce qu'elle comporte des billes (3) présentes dans ladite enceinte (2), et des moyens pour assurer la circulation des billes. 3. Installation selon la revendication 2, dans laquelle les moyens pour assurer la circulation des billes sont constitués par la pompe (10) de circulation du circuit principal. 4. Installation selon. la revendication 2, comportant un panier (12) de récupération des billes constitué d'un premier compartiment (14) monté sur la branche aller du circuit et d'un second compartiment (16) monté sur la branche retour de ce circuit, ledit panier (12) étant monté pivotant de manière que les premier et second compartiments puissent être inver sés. 5. Installation selon la revendication 2, dans laquelle une grille d'arrêt des billes (18) est montéé sur la branche retour du circuit, une pompe de circulation des billes (20) étant montée en dérivation entre les branches aller et retour du circuit en amont de la grille (18). 6. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que la pompe (10) assurant la circulation des billes est une pompe à effet vortex. 7. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que la pompe (20) assurant la circulation des billes est une pompe à effet vortex. 8. Installation selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisée en ce que la densité des billes (3) est inférieure à celle de la suspension de particules kotosynthétiques. 9. Installation selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisée en ce que la densité des billes (3) est supérieure à celle de la suspension de particules photosynthétiques. 10. Installation selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisée en ce que la densité des billes est variable dans le temps.