Brevet FR2596412A1 — publié le 19871002

Photobioréacteur La presente invention est relative, de manière très générale, à l'exploitation industrielle du phénomène de photosynthèse selon lequel L'action directe du rayonnement solaire favorise le développement de micro-organismes photoautotrophes. 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 temperatures élevées, au-dessus du seuil supérieur de cette plage, inhibent ce phénomène de photosynthèse. La présente invention est relative, de maniere plus précise, au cas où Les micro-organismes sont en suspension dans une solution nutritive. On connait actueLlement des moyens, appelés photobioréacteurs par L'homme de l'art, qui permettent à de tels micro-organismes en suspension de se trouver à des températures incluses à L'intérieur de la plage optima le de températures précitée et d'y etre maintenus malgré Les variations de conditions climatiques environnantes, de sorte qu'une culture optimale puisse cotre conduite en toutes régions climatiques. En outre, ces moyens peuvent cotre agencés pour fonctionner selon un processus de production industrielle, de masse et continue. La demande de brevet français FR-A-2 564 854 décrit un photobioréacteur de ce genre. Il comprend deux conduits horizontaux dans lesquels peuvent circuler à contre-courant, d'une part une 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 reaction photosynthétique et, que d'autre part, le liquide de régulation thermique peut s'échauffer ou se refroidir en fonction de l'environnement thermique et naintenir La température optima le de La solution nutritive en fonction des calories échangées avec cette solution en fonction des débits relatifs contrlés dans Les deux conduits. Un tel photobioréacteur présente cependant plusieurs inconvenients : tout d'abord la thermorégulation de la solution nutritive est réduite parce que le matériau constitutif du conduit dans lequel circule le liquide de réguLation est un matriau isolant thermiquenent. Ensuite, la circulation de La suspension cellulaire et du liquide de régulation dans leur conduit horizontal respectif est forcée, ce qui entrasse des contraintes mécaniques au niveau des matériaux constitutifs des conduits et des raccords divers. Enfin, les moyens de recyclage de la suspension cellulaire ne permettent pas la culture de micro-organismes fragiles. La présente invention a justement pour objet de remédier à ces inconvénients. A cette fin, elle propose un photobioréacteur améLiorant ta thermorégulation de la solution nutritive. Elle supprime egàlement la circulation forcee de la solution nutritive à L'intérieur de son conduit et autorise la culture de micro-organismes fragiles. Ces résultats sont obtenus, selon L'invention, par un 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.Ce photobioreacteur se caractérise en ce qu'il comporte un conduit longitudinal, de section rectangulaire, ayant une position inclinée et dont la face inférieure, sur laquelle s'ecoule La solution nutritive chargée de micro-organismes, est constituée par un echangeur thermique plat dans lequel circule un liquide de régulation et la face supérieure du conduit étant constituee d'une plaque amovible transparente susceptible d'être traversée par le rayonnement solaire, le conduit étant relié par des canalisations à des moyens de recyclage de tel le sorte que la solution nutritive chargee de micro-organismes peut remonter du bas vers le haut du conduit incliné. On comprend que, avec un tel photobioréacteur soumis au rayonnement solaire, la solution nutritive chargée de microorganismes est le siège d'une réaction photosynthétique et s'ecoule par gravité dans le conduit incliné. Pour permettre une bonne thermorigulation de la solution nutritive chargée de micro-organismes, L'échangeur thermique plat comprend deux plaques d'un matériau conducteur thermiquement entre lesquelles circule le Liquide de régulation. De préférence, le matériau constitutif des deux plaques de l'échangeur thermique est du métal et lesdites plaques sont soudees ensemble. Selon un mode de réalisation préféré de L'invention, la face inférieure du conduit repose sur une structure isolante thermiquement, façonnée de manière à donner une position inclinée au conduit. Pour autoriser La culture de micro-organismes fragiles les moyens de recyclage de La solution nutritive comprennent un reservoir de stockage dans lequel circule un flux d'air permettant à la solution nutritive de remonter du bas vers le haut du conduit incline. L'invention apparartra mieux à la lecture de la description qui va suivre, d'exemples de réalisation donnés à titre purement illustratif et nullement Limitatif, en référence au dessin annexé sur lequel la figure unique est une vue en coupe de l'ensemble des éléments constitutifs essentiels d'un photobioréacteur conforme à l'invention. Sur la figure unique, on a représenté les éléments constitutifs essentiels d'un photobioréacteur 2 conforme à L'invention. Le photobioreacteur 2 comprend un conduit 4, longitudinal, ayant une section rectangulaire et dans lequel circule une solution nutritive chargée de micro-organismes 8 et soumise à l'action directe du rayonnement solaire. Ce conduit 4 a une position inclinée de sorte que la suspension cellulaire 8 s'ecoule par gravité. La face inférieure 6 du conduit 4, sur laquelle s'écoule La solution nutritive chargée de micro-organismes 8, est constituee par un echangeur thermique plat. L'échangeur thermique plat 6 comprend deux plaques 7 et 9 d'un matériau conducteur thermiquement entre lesquelles circule un liquide de régulation thermique 13 apte à s'echauffer ou se refroidir en fonction de l'environnement thermique. Le matériau constitutif des plaques 7 et 9 peut etre du métal, par exemple de l'acier inoxydable. Bien évidemment, on pourrait utiliser un autre matériau suffisawment mince pour permettre Les échanges thermiques, tel l'aluminium. Selon un mode de mise en oeuvre preféré de l'invention, les deux plaques 7 et 9 de L'échangeur 6 sont soudees ensemble par un procédé de soudure par laminage que l'homme de l'art appelle en terminologie anglo-saxonne, "Roll bond". Le procédé "Roll bond" comprend les étapes suivantes : on dépose tout d'abord par iipression une couche de peinture non uniforme sur une première plaque métallique. On colle ensuite sur la première plaque une seconde plaque métallique, les deux plaques se soudant par diffusion aux endroits exempts de peinture. Enfin, on decolle les parties non soudées en faisant passer un rouleau sur la seconde plaque. On obtient ainsi deux plaques métalliques soudees ensemble selon le dépôt de la couche de peinture sur la première plaque. Selon un autre mode de mise en oeuvre, L'échangeur peut être constitué par des gaines en matiere plastique souple ou semi-rigide. Dans te cas représenté ici, le liquide de régulation 13 est de l'eau. Cette eau s'ecoule à L'intérieur de L'échangeur 6 et parcourt un circuit fermé, complété par des canalisations 10, une vanne mélangeuse 12, elle-meme reliee à une source d'eau froide et à une source d'eau chaude (non représentées), et une pompe 14. La vanne mélangeuse 12 est commande par une sonde de températures (non représentée) plongée dans La suspension cellulaire 8 de façon à reguler le débit de la source d'eau froide et de la source d'eau chaude en fonction de la température de la suspension cellulaire 8. La face supérieure 16 du conduit 4 est constituée d'une plaque ou feuille amovible transparente susceptible autre traversée par le rayonnement solaire. Le matériau constitutif de la plaque 16 peut etre sélectif et ne laisser passer que certaines longueurs d'onde. La plaque ou feuille transparelte 16 peut etre en verre (filtrant ou non) ou bien en matibre plastique à base de polycarbonate, de méthacrylate, de chlorure de polyvinyle, de polyéthylène, etc. La plaque ou gille amovible transparente 16 repose sur des cornières un2es de Joints en caoutchouc (non représentés).La plaque ou feuille 16 peut Autre maintenue fermée par un systbme de pinces ou par un profilé de plastique pinçant te matériau sur la cornière. Conformément à l'invention, la face infArleure 6 du conduit 4 repose sur une structure isolante thermiquement 18 pour eviter toute déperdition de calories au niveau de ta plaque inferieure 9 de l'échangeur thermique 6. La structure isolante thermiquement 18 est façonnée de manière à donner une inclinaison au conduit 4. Cette inclinaison ywrmet ainsi une circulation de la solution nutritive 8 par ruissellement. La structure 18 est posee directement sur le sol et offre pour le conduit 4 un support incline que l'on peut déplacer aisément.La structure isolante thermiquement 18 est constituée par exemple par une mousse de polyuréthane. Elle peut ètre déposée par projection sur la plaque inferieure 9 de L'échangeur thermique 6. Conformément à L'invention, le bas du conduit incliné 4 est relié par des canalisations 20 à des moyens d2 recyclage ;!4 de telle sorte que la solution nutritive 8 peut remonter du bas vers le haut du conduit incliné 4. Selon un mode de réalisation préféré de L'invention, les moyens de recyclage 24 comprennent un réservoir de stockage 24 dans lequel circule par la canalisation 30 un flux d'air permettant à la solution nutritive 8 de remonter du bas vers le haut du conduit 4. L'homme de l'art appelle de tels moyens de soulèvement par air par le terme anglo-saxon de "air lift". Le reservoir 24 est relie au sommet du conduit 4 par une canalisation 28 dont le débit est contrôle par une vanne de reglage 26. Les moyens de recyclage "air lift" 24 permettent à la suspension cellulaire 8 de parcourir le circuit fermé sans subir de deterioration. A l'oppose d'une pompe classique, les moyens de recyclage "air lift" autorisent ainsi la culture de microorganismes fragiles. Le photobioreacteur, objet de L'invention presente des avantages intéressants dont le principal est la bonne thermorégulation de la suspension celluLaire puisque celle-ci s'ecoule sur la face supérieure d'un échangeur plat bon conducteur thermiquement. De plus, l'ecoulement de la suspension cellulaire par gravité supprime les contraintes mécaniques occasionnées par une circulation force, ceci a pour conséquence d'améliorer la tenue mécanique des composants et d'assurer à ces derniers une plus grande longévité. L'inclinaison du conduit favorise également une meilleure reception des rayons solaires. Un autre avantage de ce photobioréacteur est la possibilité de changer la couleur de la face supérieure 7 de l'échangeur thermique 6 en fonction de la saison. Ainsi pour eviter la surchauffe de La solution nutritive chargée de microorganismes 8 occasionnee par les températures estivales, on recouvre la plaque supérieure 7 de l'échangeur 6 d'une fine pellicule par exemple en matière plastique aluminisée ou colorée en blanc. Par contre, pour assurer un réchauffage supplémentaire de la solution nutritive 8 en periode hivernale on retire la fine pellicule blanche recouvrant la plaque 7 de couleur noire d'origine. La structure isolante 18 permet également un déplacement aise du photobioréacteur. De même, La plaque ou feuille amovible 16 favorise un nettoyage facile de l'échangeur 6 sur lequel s'ecoule la solution nutritive 8. Enfin, la mise en oeuvre du photobioréacteur objet de l'invention ne comporte pas d'etapes critiques et les matériaux constitutifs de l'invention sont d'utilisation courante. Les applications industrielles des cultures intensives chargées de micro-organismes peuvent avoir de nombreuses applications agro-alimentaires selon le micro-organisme cultivé : - comme source de nourriture directe pour la conchiliculture, en général, et l'ostréiculture en particulier (diatomées marines), - comme source de nourriture pour L'élevage de proies vivantes (rotifères, crustacés) destinées aux alevins de poissons chasseurs (bar, daurade, ...), - comme source de protéines pour l'alimentation animale ou f8 e humaine (spirulines, chlorelLes,...), - pour l'extraction de produits à haute valeur ajoutée commercia le comme les phycocolLoides (agar-agar, carraghenanes, alginates) qui servent à L'industrie alimentaire et pharmaceutique (cultures de porphyridium,...) ou des hydrocarbures (botryococus,...). La condition favorable dans le contexte actuel est de pouvoir disposer de sources chaudes à faible prix de revient : rejets thermiques industriels, capteurs solaires, pompes à chaleur, etc... toutes sources chaudes qui, à l'évidence, peuvent etre utilisées pour le chauffage de L'eau de thermorégulation d'un appareil selon L'invention. REVENDICATIONS 1. Photobioreacteur 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 un conduit (4) longitudinal, de section rectangulaire, ayant une position incline et dont la face inférieure (6), sur laquelle s'écoule la solution nutritive chargee de micro-organismes (8), est constituée par un échangeur thermique plat dans lequel circule le liquide de régulation (13), la face supérieure (16) du conduit etant constituée d'une plaque amovible transparente susceptible d'être traversee par te rayonnement solaire, Le conduit (4) étant relié par des canalisations (20) à des moyens de recyclage (24) de telle sorte que la solution nutritive chargée de micro-organismes (8) peut remonter du bas vers le haut du conduit incliné (4). 2. Photobioréacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur thermique plat 3. Photobioreacteur selon L'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le matériau constitutif des deux plaques (7 et 9) est du métal et en ce que lesdites plaques (7 et 9) sont soudées ensenble. 4. Photobioréacteur selon L'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le matériau constitutif des deux plaques (7 et 9) est une matière plastique souple ou semi-rigide. 5. Photobioréacteur selon L'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la face inférieure (6) du conduit (4) repose sur une structure isolante thermiquement (18) façonnée de manière à donner une position inclinée au conduit (4). 6. Photobioréacteur selon L'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de recyclage (24) de la solution nutritive (8) comprennent un réservoir de stockage dans lequel circule un flux dsair permettant à la solution nutritive (8) de remonter du bas vers le haut du conduit incliné (4).