Brevet FR2823761A1 — publié le 20021025

d'au moins 30 cm et un diamètre d'au moins 8,5 cm. - 1 La présente invention concerne un dispositif permettant la culture industrielle de microorganismes photosynthétiques floculés (micro-algues). La culture de micro-algues est traditionnellement effectuée à partir de photo-bioréacteurs extrapolés à partir de dispositifs de recherches, mal adaptés à fonctionner dans un contexte industriel et sous des contraintes économiques de marché. De manière générale les technologies existantes n'autorisent pas le développement industriel de la culture de microalgues, notamment de par la faiblesse des rendements physico-chimiques atteints et de par la médiocrité de la qualité des blomasses produites. En outre la main d'_uvre qualifiée et pléthorique nécessaire à la conduite des opérations selon les procédés existants grève de façon rédhibitoire la rentabilité économique de ce secteur d'activité pourtant prometteur, compte tenu de la richesse biochimique offerte par les 40.000 souches (environ) de micro-algues identifiées, desquelles une centaine est étudiée et dont seule une dizaine fait l'objet d'exploitation, faute de moyens industriels adéquates. Techniquement la difficulté principale consiste à faire pénétrer la lumière dans un milieu de culture dont la concentration (et donc 1'opacité) augmente pendant la phase de croissance des micro- organismes cultivés. De même, la plupart des technologies connues n'autorisent pas un fonctionnement sous des conditions de stérilité optimales. A un moindre degré de technicité, les problèmes posés par le contrôle en temps réel des processus de croissances ainsi que ceux liés à l'introduction de composés de culture en mode contrôlé et continu constituent, en autres, deux barrières majeures au développement de solutions industrielles économiquement rentables, qui permettraient la production de micro-algues répondant aux critères de qualité requis, notamment dans les secteurs de la pharmacie, de la cosmétique et de l'agroalimentaire. Enfin, sur un plan technico-économique l'énergie conventionnelle nécessaire aux procédés d'éclairages utilisés dans le cas de photobioréacteurs artificiels constitue un poste de charges d' exploitation important. Le dispositif selon l'invention permet notamment de remédier à cette série d'inconvénients, de par les caractéristiques intrinsèques du système physique permettant la photosynthèse et de par la possibilité qu'il offre à pouvoir être mis en _uvre de façon modulaire et à grande échelle dans le cadre de chaînes de production automatisées, pilotées par un système de contrôle commande agissant en supervision des procédés gérés individuellement pour chacun des photo-bioréacteurs. Le système de contrôle commande prend appui sur des modèles mathématiques de simulations des processus de croissance des micro-algues sélectionnées pour la culture, donc parfaitement adaptable et ajustable à tout type de conditions d'exploitation (volume de la culture envisagée, type et origine des souches, environnement d'exploitation, etc.). Ce dispositif garantit ainsi des rendements optimisés en matière de conversion de l'énergie lumineuse et des intrants de cultures apportés, et garantit également des caractéristiques blochimiques contrôlées - 2 - et donc reproductibles pour les biomasses produites. Par ailleurs dans une optique écologique et non plus seulement économico-industrielle, une culture à très grande échelle peut valablement contribuer à la réduction de dioxyde de carbone atmosphérique, principal gaz à effet de serre, ou encore dans le cadre d'une adaptation du dispositif, servir en tant qu'agent de dépollution d' effluents gazeux issus de moteurs thermiques en utilisant notamment les propriétés de certaines souches algales, qui outre la capacité à décomposer le dioxyde de carbone, peuvent fixer des métaux lourds. Dans son architecture générale, le dispositif est constitué de quatre systèmes principaux (cf. schéma 1) - (1) une flotte de photo-bioréacteurs mobiles fonctionnant de façon indépendante les uns des autres - (2) un assemblage linéaire et modulaire de cuves d' insolation (illumination) dans lesquelles sont placés les photo-bioréacteurs durant les phases de croissance et de maturation des micro- organismes cultivés - (3) un système de levage, permettant le positionnement des photo-bioréacteurs sur les cuves - (4) un système informatique de contrôle commande assurant le pilotage et la supervision de l'ensemble des trois autres systèmes principaux Ces quatre systèmes principaux disposent de multiples fonctions faisant l'objet de descriptions dans la suite du présent document. I1 convient à ce niveau d'introduire également 1'existence de systèmes accessoires intégrés aux unités de productions construites autour des systèmes principaux. Ces systèmes accessoires qui ne feront pas l'objet de descriptions détaillées dans la suite de ce document, permettent notamment: - le chargement et le déchargement des photo-bioréacteurs dans des conditions de stérilité requises pour certaines cultures (salles blanches) - l'optimisation des planning d'utilisation des photo-bioréacteurs, à 1'aide de logiciels dont les algorithmes intègrent le caractère de variabilité des critères de stérilité requis pour les milieux de cultures (différents niveaux d'asepsie nécessaires) - le traitement des biomasses produites (séchage, congélation, extraction de métabolites) l'optimisation des ressources, grâce notamment - à des dispositifs d'alimentation permettant l'intégration de sources d'énergies renouvelables (photovoltaïque, éolien), - à des dispositifs de cogénération d'énergie entre les divers systèmes technologiques déployés, et à des dispositifs de récupérations et de traitement des eaux utilisées et évaporées. Pour conclure cette partie introductive, il est à signaler que la mise en _uvre industrielle de cette invention peut être effectuer notamment sur zones pauvres en ressources hydriques nécessaires à une agriculture de type classique. En effet l'océan ou des aquifères peuvent suffire à l'alimentation de procédés permettant la culture de micro-algues. Ainsi, nombre de régions désertiques peuvent être valorisées, de même des flottes de tankers prêts à être désarmés pourraient être reconfigurés en sites de production totalement écologiques. Selon sa première caractéristique principale, le dispositif est constitué d'une flotte de photo- bioréacteurs. Chaque photo-bloréacteur étant lui même constitué d'un fût étanche, démontable, stérilisable, pouvant fonctionné sous pression pour favoriser l' assimilation des intrants par le milieu de culture et motorisé afin d' assurer, par la rotation du fût, une agitation parfaite et non traumatisante du milieu de culture. Dans une première confguration (cf. schéma 2), le photo-bioréacteur est de section polygonale et dispose d'une armature rigide (flasques latéraux à épaulement et barres de structures proflées) sur laquelle sont fixés, à l'aide d'un système de presse-étoupe garantissant l'étanchéité du fût, des panneaux optiques translucides permettant la focalisation de lumière naturelle ou artificielle en provenance de l'extérieur, et un panneau en matériau offrant résistance aux chocs mécaniques (acier inoxydable, titane ou polyéthylène à haut poids moléculaire), sur lequel s'insèrent des éléments fonctionnels permettant le remplissage, la vidange, la mise sous pression, la dépressurisation, le dégazage, la captation et la transmission sans contact de données physiques (température, pression, ph. photométrie...) relatives au milieu de culture et à la luminosité extérieure. De plus un axe creux en matériau translucide (tunnel) enserré entre deux flasques latérales à paliers étanches permet le positionnement d'une source lumineuse artificielle, éclairant la culture de l'intérieur. Les propriétés physiques de ce tunnel peuvent optionnellement offrir (selon la section circulaire ou polygonale et selon le matériau verre ou méthacrylate) des caractéristiques optiques améliorant la pénétration de la lumière de la source positionnée en son intérieur. Des capteurs de température et de luminosité sont également positionnés à l'intérieur de cet axe translucide étanche. Selon une seconde configuration, le fût du photo-bioréacteur peut être de section cTrculaire, renforcé sur une partie de la circonférence et sur toute la longueur du fût, par une plaque tangentielle solidaire en matériau offrant résistance aux chocs mécaniques afin de permettent la fixation des éléments fonctionnels décrits au paragraphe précédent. Le fût est maintenu en son axe par deux bras latéraux descendants d'un solide châssis supportant également les éléments fonctionnels suivants (cf lettrage du schéma 2): - un système informatique (A) sous caisson étanche, permettant l'acquisition de données sans contact (transmission infra-rouge ou ondes radio) en provenance du fût et avec contact en provenance de l'intérieur de l'axe étanche, la transmission et l'acquisition de données, via ondes radio, vers et en provenance d'un dispositif informatique de contrôle-commande relayé par un réseau LAN. En outre ce système constitue le relais d'asservissement, du moteur, de la centrale d'actionnement et du système d'optimisation de 1'éclairage du fût ci après décrits - un moteur assurant (B), par un système de couplage par engrenages la rotation du fût - une centrale d' actionnement permettant (C), par l' intermédiaire d'un dispositif de transSert se connectant sur le fût à l'aide de vérins pnenmatiques et électromécaniques, le conditionnement des paramètres physiques (pression, dépressurisation), l'alimentation du milieu de culture, le dégazage, ainsi que la ventilation de l' axe étanche du fût. Cette centrale d'actionnement est reliée à des réservoirs "embarqués" (D) de substances nécessaires à la culture, ainsi qu'à un faisceau (E) de tubulures et de canalisations de fluides (eau, air comprimé, dioxyde de carbone, gaz de neutralisation...) également nécessaires à la culture un ou plusieurs réservoirs (D) contenant les sub stances, en phases soli de et/ou aqueuse et/ou gazeuse, à intégrer au milieu de culture - un système d'éclairage (F) fixé sous le plancher supportant les différents éléments ci dessus décrits permettant un éclairage zénithal artifciel du fût - un système latéral de connexion à une source d'énergie électrique (G) - un système latéral de connexions tubulaires à des sources de fluides nécessaires à la culture et au fonctionnement du photo-bioréacteur, une tubulure peut notamment être réservée à la récupération de gaz produits par la photosynthèse (E) - deux ergots métalliques latéraux permettant le levage par un pont de manutention (H) - un système latéral de guidage mécanique pour le positionnement photo-bioréacteur sur un bac support ci-dessous décrit. Une variante peut étre apportée à ces types (polygonal ou cylindrique) de photo-bioréacteurs. En effet et notamment pour les dispositifs à objectifs écologiques mentionnés précédemment, une enveloppe translucide externe démontable peut-étre ajoutée à la configuration standard. Cette enveloppe externe ayant pour fonction de réaliser, selon les solutions techniques décrites ci-dessus, I'étanchéité d'une cavité de volume adapté à la thermorégulation du milieu de culture au moyen de fluides réfrigérants et/ou calorifères. Avec ce type de photo-bioréacteur, la fonction de thermorégulation (cf. paragraphe suivant) des cuves d'insolation n'est plus nécessaire; l'instrumentation fonctionnelle permettant cette thermorégulation est adaptée à son intégration au photo- bioréacteur: capteur de température - système de circulation et de vidange de fluide(s) rétrigérant et/ou calorifère - centrale(s) de froid et/ou de chaleur En outre pour les photo-bioréacteurs embarqués sur des véhicules notamment terrestres ou marins à moteurs thermiques, ou encore pour les photo-bioréacteurs fixes de grandes tailles, certaines fonctions peuvent être éventuellement supprimées et/ou modifiées. Il s'agit principalement des fonctions permettant le levage et l'éclairage interne du photo-bioréacteur. Un support de fixation sur le véhicule, autorisant la vidange du photo-bioréacteur et également 1'insolation (illumination) artificielle par un tunnel d'éclairage (cf. paragraphe suivant) étant alors réalisé par des moyens classiques de constructions mécaniques. C Selon sa deuxième caractéristique principale, le dispositif est constitué d'une ligne de cuves d'insolation (cf. schéma 3), supports fixes sur lesquelles sont positionnés individuellement, les photo- bioréacteurs ci-dessus décrits en tant qu'ensembles mécaniques rigides qu'il est possible de déplacer. La cuve support est elle même constituée d'un châssis auto-porteur en acier inoxydable, en polyéthylène à haut poids moléculaire, en structure maçonnée ou en tout autre matériau adapté aux contraintes physiques et chimique de l'environnement. Ce châssis qui supporte mécaniquement le photo-bioréacteur, permet la fixation des systèmes d'alimentation en eau, en air comprimé, en gaz et en énergie électrique nécessaires au fonctionnement du photo-bioréacteur et connectés à ce dernier. Ce châssis permet également le soutien d'une cuve en méthacrylate de forme semicylindrique présentant les caractéristiques fonctionnelles suivantes: - le caractère translucide du méthacrylate permet l'illumination du photobioréacteur placé dans la cuve par un système d'éclairage artificiel situé à l'extérieur - le caractère semi-cylindrique de la cuve permet entre autres, à l'aide d'un moteur fixé sur le châssis (cf. cote I sur le schéma 2), le positionnement dynamique d'un rideau réfléchissant qui permet de faire converger vers le photo-bioréacteur, I'éclairage zénithal naturel pendant les heures d'ensoleillement - un dispositif de thermorégulation constitué d'un capteur de température, d'un capteur de niveau, d' un thermo-plongeur, d' électrovannes et éventuellement de pompes, permet le remplissage, la vidange et la mise à température d'un liquide permettant le transtert de calories ou de frigories - sur longueur de la cuve et des deux cotés, un dispositif mécanique permet la récupération des fluides évaporés (cf. cote J sur le schéma 2). A l'extérieur de la cuve un faisceau de tubes lumineux en forme de " J ", supporté par un portique solidaire du châssis en sa partie supérieure, et coulissant afn de faciliter la maintenance des éléments électriques, est disposé latéralement en suivant la forme de la cuve(cf. cote K sur le schéma 2). La partie verticale de ce faisceau permet l'éclairage partagé de deux cuves voisines. Sur la partie courbe du faisceau une plaque réfléchissante fixée au portique permet de renvoyer vers le photobioréacteur la luminosité dissipée des sources. Un dispositif de guidage au sol, sur roulement, réglable en hauteur et amorti, permet une reprise de charge au niveau de la partie inférieure du portique évitant ainsi tous porte-à-faux au niveau de la fixation coulissante sur le châssis de cuve. La structure ajourée du portique est réalisé en aluminium, en titane ou en matériaux composites afin d'en réduire le poids. En correspondance à la variante possible des photo-bioréacteurs de type " standard ", mentionnée à la fin du paragraphe précédant, des modifications relatives aux systèmes " châssis-cuve " et " éclairage artificiel " sont éventuellement apportées en fonction d'objectifs de production et de contraintes de flexibilité et d'environnement. En ce qui concerne le châssis, la fonction de support mécanique du photo- bioréacteur est conservée. La structure et la forme de ce châssis pouvant alors être modifiée en - 6 fonction des contextes d'installation des photo-bioréacteurs. Dans le cas ou les centrales de froid et/ou de chaleur ne sont pas intégrées au photo-bioréacteur, I'arrivée de tubulures permettant le transport de fluides de thermorégulation peut être ajoutée au faisceau existant. Par ailleurs la cuve en méthacrylate et son rideau mobile réfléchissant peut-être supprimé et remplacé par de simples plaques réfléchissantes de même forme que la cuve, dans le cas o 1'utilisation d'éclairage artificiel ne serait pas requis compte tenu notamment de contraintes économiques. Dans le cas de photo-bioréacteurs embarqués notamment sur des véhicules terrestres ou marins à moteurs thermiques, l'ensemble formé par les systèmes de maintien et d'éclairage artificiel du photo-bioréacteur peut consisté en un caisson permettant un éclairage ellipsoidal à angle fermé entourant le fût, ainsi que la protection mécanique et 1e réfléchissement des sources lumineuses. Ce caisson peut être fixé au véhicule par tous moyens mécaniques classiques et notamment des pattes de fixation soudées et/ou vissées. Il peut-étre ajouté à ce caisson un procédé de ventilation (électrique ou utilisant les écoulements d' air relatifs à la cinétique du véhicule support) assurant la dissipation de chaleur confinée; ce système étant piloté soit par un thermostat classique soit par le système de contrôle commande du dispositif. Selon sa troisième caractéristique principale, le dispositif est constitué d'un système de manutention des photo -bioréacteurs. Ce dispositif, pi loté par le système de contrôle commande du dispositif permet le positionnement automatique des photo-bioréacteurs (lorsque ces derniers sont mobiles) sur les cuves d' insolation (illumination) ou sur les postes de chargement-déchargement. Le positionnement par un opérateur humain est également rendu possible de façon semi-automatique grâce à des composants électromécaniques (contacteurs notamment) permettant d'agir sur les équipements (moteurs notamment) assurant les fonctions de translations verticales et horizontales du système de manutention. Les fonctions principales de ce système de manutention (en dehors de celles liées au système de contrôle commande décrit au paragraphe suivant) sont les suivantes: - déplacer verticalement les photo-bioréacteurs dans 1'objectif de les déposer (ou de les lever) sur les cuves d'insolation ou les postes de chargement-déchargement - déplacer horizontalement les photo-bioréacteurs dans l'objectif des les amener à la verticale des cuves d'insolation ou des postes de chargement-déchargement sélectionnés par le système de pilotage ou l'opérateur Une solution technique pour assurer ces fonctions peut consister en un pont roulant de levage, chevauchant la ligne de cuves d' insolation (illumination), disposant d'un système d'arrimage adapté aux ergots de levage des photo- bioréacteurs et permettant des translations bi-directionnelles à l' aide de systèmes électromécaniques appropriés, sur deux axes - vertical (chaînes et pignons par exemple) et - horizontal (crémaillère, par exemple). Selon sa quatrième caractéristique principale, le dispositif est constitué d'un système informatique de contrôle commande agissant en supervision des procédés gérés individuellement pour chaque photo- bioréacteurs. Ce système informatique de contrôle commande, assure les fonctions génériques suivantes: - Captation des données en provenance des différents autres systèmes du dispositifs - Acquisition et transmission de ces données - Traitements de ces données - Calculs algorithmiques permettant la générations de valeurs nécessaire à la régulation et au pilotage des différents autres systèmes du dispositif - Mise en forme et transmission des informations de contrôle commande - Actionnement des dispositifs de régulation et de pilotage automatiques des autres systèmes. A ces fonctions génériques correspondent quatre chaînes distinctes d' acquisition et de traitements d'informations: - Chaîne fonctionnelle de mesure, d'acquisition et de traitement des informations en provenance du photo-bioréacteur et des commandes de contrôle destinées à sa conduite Chaîne fonctionnelle de mesure, d' acquisition et de traitement des informations en provenance de la cuve d' insolation et des commandes de contrôle destinées à sa conduite - Chaîne fonctionnelle d' acquisition et de traitement des informations en provenance du système de levage et des commandes de contrôle destinées à sa conduite - Chaîne fonctionnelle d' acquisition, de traitement et de transmission des informations en provenance et à destination des éléments physiques du dispositif. En ce qui concerne le matériel nécessaire à la mise en _uvre de ces fonctions, des composants standards d'électronique et d'automation sont utilisés; pour mémoire, de façon non exhaustive, les composant du système listés ci-après sont intégrés au dispositif: - Capteurs de mesures (température, pression, niveau, diodes photo-électriques, analyseurs...) - Eléments de connexions (borniers, câbles,) - Eléments d'alimentation et d'amplification 3 0 - Matériels et logiciels d' acquisition - Réseaux locaux filaires et sans contact En ce qui concerne le logiciel de contrôle commande il est principalement structuré autour des modules fonctionnels suivants: - Modèles mathématiques de simulations des processus de croissance (un modèle par type de micro-algues) - Programmes de bilans massiques et énergétiques - Fonctions d'optimisation technico- économique - 8 - Algorithmes de recherche des points optimaux de fonctionnement Référentiels de connaissances technologiques et physico- chimiques (qui ne sont pas des modèles mathématiques). Enfin le système de contrôle commando intègre un ensemble de moyens techniques et logiciel permettant de détecter en temps réel toutes défaillances critiques des différents éléments constituents le dispositif. REVENDICATIONS 1) Dispositif adapté à la culture industrielle de micro-organismes photosynthétiques floculés, caractérisé en ce qu'il comporte, dans sa version standard, - une flotte de photo-bioréacteurs auto-moteurs et déplaçables, - une ligne modulaire de cuves-supports des photobioréacteurs permettant I jinsolation, la thermorégulation et l'alimentation des milieux de cultures, - un pont de levage permettant les translations verticales et horizontales des photo-bioréacteurs, un système de contrôle commande agissant en supervision autorisant le contrôle individuel du processus de culture de chaque photo-bioréacteur, ainsi que la conduite automatisée de I'ensemble des éléments du dispositif. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le fût d'un photo-bioréacteur dispose de panneaux optiques en matériau translucide a profil convexe permettant la focalisation de la lumière et une meilleure pénétration dans le milieu de culture. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le fût d'un photo-bioréacteur dispose d'un axe étanche à parois translucides, à 1'intérieur duquel est positionné une source lumineuse permettant d'éclairer de l'intérieur le milieu de culture 4) Dispositif selon la revendication I caractérisé en ce que le fût d'un photo-bioréacteur peut fonctionner sous des conditions de pression élevées autorisant l'assimilation plus rapide et contrôlée de composés chimiques par le milieu de culture 5) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un photo-bioréacteur dispose d'un châssis supportant le fût en son axe au moyen de paliers étanches autorisant la rotation du fût sur lui même à l'aide d'un système de motorisation, la rotation permettant l'agitation parfaite et non traumatisante du milieu de culture 6) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un photo- bloréacteur dispose d'un châssis supportant un système de connexion actionné par des moyens électromécaniques et pnenmatiques permettant l 'introduction ou l 'extraction de composés en phases gazeuse, et/ou liquide et/ou solide à et de l'intérieur du fût, ces composés provenant soit de réservoirs fixés au châssis, soit de tubulures reliées au photo- bioréacteur 7) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un photo-bioréacteur dispose d'un châssis supportant un système informatique permettant 1'acquisition, le traitement et la transmission de données relatives au processus de culture et opérations de contrôle le concernant 8) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un photo-bioréacteur dispose d'un châssis supportant un système d'éclairage zénithal artificiel 9) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un photo-bioréacteur dans une configuration optionnelle comporte une double enveloppe translucide externe permettant la circulation de fluides de thermorégulation - 10 ) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'une cuve-support de photo-bioréacteur dispose d'un système de remplissage et de vidange d'un liquide de thermorégulation 11) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'une cuve-support de photo-bioréacteur de forme ellipsoïdale dispose d'un système de rideau amovible permettant le réfléchissement vers le fût de la lumière zénithale naturelle 12) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'une cuve-support de photo-bioréacteur dans sa configuration standard est en matière translucide et dispose d'un portique coulissant sur lequel sont fixées des sources de lumière artificielle permettant l'éclairage externe du fût 13) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'une cuve-support de photo-bioréacteur dans une configuration optionnelle peut comporter en place du portique coulissant ou des parois translucides de la cuve, des plaques en matériaux réfléchissants permettant de renvoyer vers le fût du photo-bioréacteur la lumière zénithale naturelle 14) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'une cuve-support de photo-bioréacteur dispose d'un système mécanique de récupération des fluides de thermorégulation évaporés 15) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un système de contrôle commande permet le pilotage de l'ensemble d'une unité de production en prenant en compte, à l'aide d'un logiciel de simulation, les caractéristiques de l'évolution des cultures relatives à chaque photo bioréacteurs de la flotte 16) Utilisation du dispositif selon les revendications 1 à 9, après adaptation du dimensionnement du photo-bioréacteur, dans des conditions d'exploitations différentes de 1'utilisation standard en ligne modulaire, telles que l'embarquement sur des véhicules, et l'installation fixe de