Brevet FR2907311A1 — publié le 20080425

Les micro-algues ou bactéries aquatiques, photosynthétiques sous le rayonnement solaire, permettent en aquaculture la production d'une biomasse dont la composition dépend de l'espèce choisie et qui pourrait atteindre en valeur énergétique, selon les estimations, vingt à cent fois celle de plantes sur sol, par unité de surface et par an, ou encore 10% de l'énergie reçue du 6- soleil. Le gaz carbonique utilisé peut provenir de l'atmosphère ou de fumées, en particulier des centrales thermiques et des cimenteries. La biomasse peut être traitée pour aboutir à des aliments, des médicaments, ou des carburants. On peut en ce cas séparer les lipides, donnant plus ou moins directement un "biodiesel", puis les glucides dont la fermentation peut fournir un alcool carburant. Le résidu protéique peut constituer un aliment pour le bétail ou un combustible. tc Cette utilisation pour les carburants n'augmente pas la teneur de Patmosphère en gaz carbonique, par rapport au rejet direct, mais elle reste conditionnée par les coûts de production, que Ibn souhaite compétitifs avec ceux du pétrole. On peut faire croitre les micro-algues à la surface de bassins solaires ouverts, limitant le coût d'investissement. Un vaste programme de recherche a été mené de 1978 à 1996 par le 15 Department of Energy aux USA sur la production de carburant liquide ou "biodiesel" à partir de tels bassins, avec injection dans l'eau de gaz carbonique issu de rindustrie. La croissance et les caractères de la biomasse obtenue ont été étudiés sur de nombreuses espèces de bactéries mais, pour les bassins ouverts seuls pris en compte, on a dû se limiter à des espèces robustes pouvant résister à la concurrence d'autres espèces régionales, aux variations de température ou 2 d'ensoleillement, ou à des virus. Il a été alors estimé que le biodiesel produit ne pouvait pas concurrencer économiquement les produits pétroliers. La suite proposée comportait des opérations de génie génétique pour améliorer la robustesse et la productivité des espèces. Pour une production plus stable ou plus intensive, on peut choisir des "photobioréacteurs" solaires fermés, à parois transparentes, qui demandent un investissement plus élevé que les 25" bassins ouverts. Ces appareils comportent des tubes dans lesquels circule l'eau de culture, ou des panneaux plans, d'épaisseurs variées, et des moyens pour mesurer la température, les concentrations en bactéries, en gaz carbonique ou en sel, l'acidité, le rayonnement solaire, la vitesse de Veau, la turbulence, la salissure des parois, etc.. Les bioréacteurs donnent lieu à des publications dans des revues de biotechnologie ou de 3ê "phycobiologie", et à divers brevets souvent étendus dans de nombreux pays. Une solution a priori peu onéreuse est celle des tubes souples flottant dans un bassin ou la mer. On cite ici des brevets concernant leur technologie : - FR2324234 du 28-1-1975, de Cl. Gudin, extension de GB19740003806 du 26-1-1974, sur un bioréacteur comportant des tubes flottant à une profondeur variable pour régler la température. ? Deux niveaux de tubes permettent de cultiver deux sortes de cellules, répondant à des spectres lumineux différents. Le gaz carbonique est injecté dans Peau de culture, ou circule à contre-courant au dessus. La biomasse obtenue est récoltée au passage. 2907311 - FR2361060 du 8-8-1977, de Cl. Gudin, extension de GB197600033764 du 13-8-1976, sur un bioréacteur à tubes flottants, surmonté d'une grille articulée permettant de régler le flux lumineux. - FR19870013647 du 2-10-1987, extension US4868123 du 19-9-1989, de CI. Gudin et ai, sur un bioréacteur comportant une couche de tubes flottants dont l'immersion est réglée par envoi d'air dans une seconde couche de tubes. Pour des tubes posés, on trouve (WO91/05849 du 2-5-1991) une conception Aquasearch de tubes souples étendus sur un sol blanc, le tout sous une serre de protection. D'autres dispositions comportent des tubes rigides inclinés. En Israël, il est proposé d'enrichir en gaz carbonique les fumées d'usine, par des procédés 1 G analogues à ceux concernant la séquestration de ce gaz, avant injection dans un bioréacteur. On note que rintensité du rayonnement solaire capté doit être limitée, pour éviter une inhibition de la photosynthèse pouvant aller à une destruction de la biomasse. Des études ont porté sur l'influence de variations cycliques rapides de cette intensité. La présente invention porte sur un perfectionnement au type de bioréacteur utilisant des tubes -1 souples transparents flottant à la surface d'un bassin d'eau ou de la mer. Pour aboutir à un coût minimal de la biomasse, on cherche à constituer le bioréacteur avec le minimum de structures et de surfaces de parois par rapport à la surface occupée, tout en assurant les fonctions suivantes : - exposer au rayonnement solaire un écoulement de l'eau de culture de la biomasse, avec une profondeur de Fordre de 0,1 m et une vitesse modérée pour ne pas détériorer les bactéries, mais suffisante pour ne pas donner lieu à des dépôts sur les parois, - limiter le flux lumineux maximal, pour éviter une photo-inhibition susceptible à certaines heures, dans les régions très ensoleillées, de détruire une partie de la biomasse obtenue, - régulariser la température de l'eau de culture vers 25 C- 30 C pendant la durée d'insolation, - empêcher une dilution de l'eau de culture par la pluie et assurer la salinité voulue. 26- - favoriser les échanges gazeux (gaz carbonique à assimiler, oxygène à évacuer). Selon la présente invention, l'eau de culture 3 portant la biomasse en suspension, et au dessus une couche gazeuse 4 à contre-courant pour l'alimentation en gaz carbonique et l'évacuation de l'oxygène, circulent dans des tubes souples 1 flottant en surface d'un bassin 2, des moyens de rotation agissant sur les tubes, qui comportent des zones transparentes et des zones opacifiées. 3â A titre d'exemple, les tubes 1 présentent sur toute la longueur un secteur transparent 13 et un secteur métallisé 14, chacun couvrant une moitié de la surface, le secteur métallisé étant placé : - en partie supérieure la nuit pour limiter l'émission de chaleur par radiation vers le ciel, - en partie inférieure le jour pour laisser passer le plein rayonnement solaire sur l'eau de culture, - en position intermédiaire quand on veut limiter le rayonnement. Pour homogénéiser la lumière reçue par l'eau de culture, la moitié transparente peut être diffusante et la moitié métallisée est mate à l'intérieur, empêchant une focalisation de la lumière réfléchie et des surchauffes locales. 2907311 Dans une première disposition (Fig 1), les tubes 1 sont accolés jointifs et la profondeur de leur flottaison, sensiblement à mi-diamètre, est réglée au moyen de tubes transparents internes 5 gonflés d'air, flottant sur l'eau de culture et touchant la partie haute des tubes 1. Si le tube 1 est trop enfoncé, sur une certaine longueur dans le bassin, l'eau de culture monte de part et d'autre S du tube 5 sur une largeur inférieure à celle du tube 1 dans le bassin 2 et il apparaît une force correctrice verticale, qui stabilise le niveau de flottaison. Les tubes 1 sont liés par des courroies 10 et 11 qui serpentent en passant au dessus d'un tube et au dessous du suivant, ancrées à chaque tube par une génératrice, en imposant des rotations inversées sans glissement. Dans une seconde disposition (Fig 2), les tubes 1 alternent avec des rouleaux flotteurs Io intermédiaires 8 et leur sont liés de même par des courroies 10 et 11 serpentant entre les tubes 1 et ces flotteurs, avec ancrage à une génératrice de chaque tube 1. Tous les tubes 1 sont alors soumis à la même rotation, ce qui permet d'optimiser leur orientation pour la production de biomasse. Les flotteurs 8 donnent lieu à une perte de surface réceptrice sur le bassin, mais la construction peut être plus simple. 15û Dans les deux dispositions, les courroies 10 et 11 maintiennent en parallélisme les axes des tubes 1, ce qui procure à l'ensemble une certaine rigidité sur le bassin, nécessaire pour la résistance au vent. On commande tes rotations par des courroies 12 sur certains tubes 1. Les tubes 1 sont alimentés par des collecteurs d'entrée 15 et de sortie 18, également souples, et forment un circuit qui comporte des moyens 18 de mise en circulation de l'eau et de la couche 2e} gazeuse et un moyen de collecte d'une partie de la biomasse formée. Chaque liaison d'un tube à un collecteur comporte une longueur souple en torsion. Des circulations verticales peuvent être obtenues dans reau du bassin au moyen de trompes à eau, pour réchauffer le matin la couche supérieure et les tubes 1, ou pour les refroidir aux heures les plus chaudes, et ainsi intensifier la production. La température de reau du bassin peut être S abaissée par des buttages d'air provoquant une évaporation, malgré la couverture quasi-complète par les tubes. L'invention sera encore décrite au moyen des figures suivantes : - Fig 1. Vue en coupe transversale pour la première disposition, avec trois tubes principaux 1 accolés contenant les tubes flotteurs 5. 30 - Fig 2. Vue en coupe transversale pour la seconde disposition, avec trois tubes principaux 1 et quatre rouleaux 8, -Fig 3. Vue en coupe longitudinale d'un tube 1 dans le bassin selon la première disposition, avec le tube flotteur 5, les courroies de liaison et de commande, et la liaison à un collecteur, - Fig 4. Vue en plan d'un bassin avec les tubes accolés, les collecteurs et la station de mise en 35- cirr lat -n, Les tubes 1, d'un diamètre de l'ordre de 25 cm, flottant dans l'eau d'un bassin 2, sont réalisés par exemple en film de polyéthylène protégé contre ta détérioration par les rayons ultra-violets, et 2907311 remplis à moitié par l'eau de culture 3 surmontée d'une couche d'air 4 chargé de gaz carbonique et du supplément d'oxygène provenant de la photosynthèse. Dans la première disposition, les tubes flotteurs internes 5, par exemple d'un diamètre valant les 2/3 de celui des tubes 1, sont gonflés à l'air avec des corrections périodiques de gonflage --réalisées par exemple au moyen d'aiguilles pénétrant dans des tampons souples fixés sur les parois des tubes 1 et 5. Dans la deuxième disposition, les rouleaux 8 intercalés sont réalisés par exemple avec un diamètre de l'ordre du tiers de celui des tubes 1, en tubes de PVC remplis de mousse plastique pour aboutir à une densité de l'ordre de 0,5 Kgldm3 les faisant flotter à mi-immersion. ~o Dans les deux dispositions, les tubes 1 débouchent sur des collecteurs d'entrée également souples tels que 15 ou de sortie tels que 16 par l'intermédiaire desquels les couches gazeuses 4 sont en équilibre de pression, sous réserve de la légère pression motrice provoquant leur passage sur l'eau de culture. Le contre-courant permet, à la sortie de l'eau chargée de biomasse, de minimiser la teneur de l'air en oxygène, défavorable à la photosynthèse. lD Les courroies transparentes 10 et 11, serpentant sur la collection de tubes 1 et éventuellement de rouleaux 8, avec ancrages sur une génératrice de chaque tube 1, maintiennent en parallélisme les axes des tubes 1, ce qui procure à l'ensemble une certaine rigidité sur le bassin, nécessaire pour la résistance au vent. On commande les rotations par des courroies 12 agissant en demi-tour sur certains tubes 1, actionnées de manière centralisée pour le bassin, par 20 l'intermédiaire de poulies 13. Chaque liaison d'un tube à un collecteur comporte une longueur souple en torsion, constituée d'un tube 20 en matière souple comme du polyuréthanne ou de l'élastomère, solidaire de plusieurs cerceaux rigides 21. La paroi des tubes 1 comporte, à pleine longueur, des secteurs à opacité et pouvoir réflecteur optimisés. On peut adopter une moitié 13 transparente et l'autre moitié 14 à revêtement 25- métallique mince quasi-opaque, représentée en traits gras sur les figures. Les moyens de rotation décrits permettent la nuit de placer les moitiés métallisée en haut pour limiter le rayonnement thermique vers le ciel et le refroidissement du bassin, et le jour d'optimiser la quantité de lumière reçue. Lorsque le revêtement métallique est en bas, l'insolation directe est accrue par la réflexion sur le fond. Cette partie métallisée est mate à l'intérieur, empêchant une focalisation de la lumière 3Ü' réfléchie et des surchauffes locales. Le jeu des courroies ne permettant qu'un demi-tour, d'où une orientation intermédiaire préférentielle pour la deuxième disposition, on en choisit la direction en tenant compte de celle des axes des tubes par rapport au Nord. La commande en rotation est asservie à un programme recevant les informations en température dans les collecteurs et en insolation. L'opacité peut varier progressivement sur le tour du tube. Les rotations des tubes 1 .-,,.-- contribuent à empêcher le dépôt de biomasse sur les parois et permettent si utile de provoquer des intermittences de rayonnement. Le niveau d'eau dans le bassin est régularisé par un trop-plein vis-à-vis de la pluie, et par des apports compensant l'évaporation, qui est limitée par la couverture en tubes et rouleaux. La température moyenne de l'eau du bassin peut dans diverses régions être réglée relativement 40 élevée, par exemple aux environs de 25 C à 30 C grâce à la limitation du rayonnement la nuit, 2907311 -s- avec une possibilité de refroidissement en activant l'évaporation par un bullage d'air alimenté par des canalisations 22 en fond de bassin. La température dans les tubes 1 est réglée en faisant monter à leur contact l'eau du fond du bassin au moyen de trompes à eau commandées par les mêmes canalisations. La Figure 4 montre en plan un bassin 2 avec sa collection de tubes accolés 1, ses collecteurs d'entrée 15 et de sortie 16, des collecteurs intermédiaires 17 et une station centrale 18 de mise en circulation de l'eau et de la couche gazeuse desservant de chaque côté un aller et retour des tubes 1. On a schématisé une roue à aubes assurant la circulation. Une partie de reau de culture 3 est collectée pour partir vers une installation de récolte de la biomasse qui s'effectue par ~o exemple par centrifugation, non figurée, tandis qu'une eau de renouvellement est introduite, provenant de cette installation et d'apports en eau et engrais. Une décantation des bactéries est susceptible de se produire dans les collecteurs, de grande section à faible vitesse, donnant au fond une couche liquide plus concentrée, qui est drainée par un réseau de tubes 25 et envoyée dans un collecteur plus en aval, ou directement à l'installation de récolte,. S La couche gazeuse 4 chargée d'oxygène est évacuée du collecteur d'entrée 15 de l'eau de culture, et renouvelée par apport d'air chargé de gaz carbonique, ou de fumées d'usine, dans la couche gazeuse des collecteurs de sortie ou dans l'eau de culture. Le bioréacteur peut être installé sur des plans d'eau existants, ou sur des bassins nouveaux. L'invention procure, par rapport à d'autres propositions de bioréacteurs à parois transparentes, 2v des possibilités nouvelles de réglage de l'ensoleillement et de la température, ainsi qu'une meilleure protection contre les dépôts sur les parois. Les pertes de charge pour reau et le gaz sont faibles. Il doit en résulter un coût réduit de la biomasse, permettant notamment la production de carburant. Revendications 1. Installation d'aquaculture solaire, du type comportant des tubes transparents 1 parcourus par l'eau de culture 3 chargée de biomasse et flottant en surface de bassins, caractérisée en ce que des moyens de rotation agissent sur les tubes, et en ce que ces tubes comportent des zones 7 transparentes et des zones opacifiées. 2. Installation selon RI, caractérisée en ce que les tubes 1 contiennent des tubes flotteurs transparents et en ce que des courroies passent alternativement sur un tube 1 et sous un autre, donnant lieu à des rotations inversées d'un tube à l'autre. 3. Installation selon RI, caractérisée en ce que les tubes 1 alternent avec des rouleaux flottants ~v et en ce que des courroies transparentes passent alternativement sur un tube et sous un rouleau, ou en sens inverse, donnant lieu à des rotations identiques des divers tubes 1. 4. Installation selon RI, caractérisée en ce que les opacifications sont obtenues par une couche réfléchissante en extérieur et mate à l'intérieur. R5. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque tube / 1 est joint à des collecteurs tubulaires 15, 16 et 17 par l'intermédiaire de parties souples en torsion, constituées d'un tube souple 20 et de plusieurs cerceaux rigides internes 21. R6. Installation caractérisée en ce que des tubes de drainage sont posés sur les fonds des collecteurs tubulaires.