Brevet FR2918387A1 — publié le 20090109

La présente invention concerne un système de production de biomasses de toutes espèces de micro algues et de cyanobactéries, et plus généralement de tous micro organismes dont la croissance repose sur la photosynthèse en milieu liquide. les systèmes de production de tels micro-organismes (hors récolte en milieu naturel) connus de l'homme de l'art appartiennent à deux principales catégories : - les systèmes fermés ou photobioréacteurs de laboratoires ou industriels , de faible capacité, généralement inférieure à mille litres, qui fonctionnent sous ressources artificielles pour la lumière, la chaleur, et l'agitation, et utilisés pour des productions intensives ou super intensives de faibles masses d'une biomasse de très haute qualité en termes de pureté ou de composition, grâce à la maîtrise permanente de la quasi-totalité des paramètres de culture et une limitation stricte des intrusions polluantes des cultures telles que macro et micro organismes, poussières et gaz. Ces systèmes, privilégient la qualité de la biomasse produite sans être capable de produire les quantités importantes requises par des applications industrielles : leur coût de fabrication et de fonctionnement élevé (énergie, maintenance) rend leur installation à grande échelle peu réaliste sur le plan économique. - les systèmes ouverts constitués de bassins ouverts de moyenne ou grande capacité, de dix mille à plusieurs millions de litres qui fonctionnent essentiellement sous ressources naturelles telles que le soleil pour la lumière et la chaleur, d'où une maîtrise limitée des paramètres de culture qui en dépendent. Ils sont parfois couverts, le plus souvent installés sous serre pour limiter les intrusions polluantes, et améliorer la maîtrise de la température. La couverture de bassins de plus de mille mètres carrés soit une capacité de l'ordre de deux cent mètres cubes implique la mise en oeuvre de structures imposantes qui présentent l'inconvénient d'une prise au vent importante ou de structures plus modestes qui obligent à l'implantation de supports à l'intérieur même des dits bassins. Ces solutions de couverture restent problématiques et coûteuses, tant au niveau de l'installation qu'à celui de la maintenance. De tels systèmes, dont la productivité moyenne ou faible est compensée par une taille importante privilégient la quantité de biomasse produite et présentent l'inconvénient de ne satisfaire qu'imparfaitement aux exigences de qualité des industries agroalimentaire ou pharmaceutiques utilisatrices de biomasses. L'invention remédie à ces inconvénients en ce quelle permet de produire les grandes quantités de biomasse telles qu'obtenues dans les systèmes ouverts dont elle approche la taille tout en en améliorant la productivité, avec la haute qualité qui est le propre des systèmes fermés. Ses modes de réalisation généraux ou particuliers autorisent en outre une économie des moyens techniques à mettre en oeuvre pour la création d'un site de production. L'invention repose sur la création in situ, sur un terrain nu, nivelé, plan et horizontal, obtenu par les travaux de génie civil appropriés connus de l'homme de l'art, de deux enceintes de confinement imbriquées. La première enceinte de confinement est constituée par une unité indépendante 5 de photobioréacteur de grande taille composé de deux sous dispositifs juxtaposés et interdépendants qui sont : - une " chambre de culture " O d'un volume intérieur supérieur à cinquante mètres cubes, construite longitudinalement sur un sol plan et profilé. - un " bloc technique " O, juxtaposé à la chambre de culture en l'une de ses 10 extrémités , à laquelle il est connecté de manière étanche, et qui regroupe l'ensemble des équipements techniques de conduite et contrôle des cultures, de régulation thermique et de circulation de tous les fluides. Il constitue le seul point d'entrée et de sortie de tous les fluides et matières vers et hors du photobioréacteur. 15 Cette première enceinte de confinement contient uniquement la biomasse en croissance et les éléments constitutifs de son milieu de culture. Cette enceinte n'est pas accessible pour les opérations courantes au personnel en charge de l'exploitation du site. La seconde enceinte de confinement OO regroupe les " blocs techniques " de 20 plusieurs photobioréacteurs juxtaposés. Cette seconde enceinte contient tous les moyens techniques nécessaires d'une part au fonctionnement normal des dits photobioréacteurs et d'autre part à la récolte et au traitement de la biomasse récoltée de manière à maintenir la production en ambiance confinée et contrôlée jusqu'au stade ultime de son conditionnement pour l'utilisation définie par le 25 récoltant. Cette seconde enceinte de confinement est normalement accessible pour les opérations courantes au personnel en charge de l'exploitation du site. Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 représente vue de dessus l'agencement des éléments du photobioréacteur ; Chambre de culture et " bloc technique " 30 La figure 2 représente vue de dessus l'agencement d'une unité de production regroupant plusieurs photobioréacteurs. La figure 3 représente une vue en coupe selon AA de la figure 2. La figure 4 représente une vue en coupe selon BB de la figure 1 en référence à l'un des modes particuliers de réalisation de l'invention. 35 Selon le mode général de réalisation de l'invention chacun des photobioréacteurs est construit comme suit: . La chambre de culture O en forme de U est construite sur un terrain nu, plan et horizontal, nivelé et profilé par des travaux de génie civil selon les règles de l'art. 3 La réalisation de la dalle support implique le tracé et le nivellement de deux voies parallèles d'égales longueurs, espacées et larges, selon les modes particuliers de réalisation de l'invention de moins de un à plusieurs dizaines de mètres. Le nivellement de chaque voie est réalisé de manière à obtenir une pente longitudinale de zéro à dix pour cent et un profil transversal en forme de V très évasé selon une double pente axiale de zéro à vingt degrés comme décrit par la figure 4. Selon les modes particuliers de réalisation de l'invention les pentes longitudinales des deux voies peuvent être soit de même sens, soit de sens opposés. la chambre de culture de chaque photobioréacteur a une longueur développée totale comprise entre vingt et deux mille fois sa largeur. La hauteur, variable selon les modes particuliers de réalisation reste inférieure à vingt cinq pour cent de sa largeur soit par exemple un mètre pour une largeur de voie de quatre mètres. Le dispositif principal de la chambre de culture qui doit contenir le milieu de culture liquide est réalisé par tout moyen approprié en respectant les règles suivantes : Il prend la forme d'un tube ou d'un canal couvert, en forme de U, étanche à l'air et à l'eau sur toute sa longueur, perméable à la lumière visible sur sa partie supérieure et capable de supporter une surpression interne de gaz ou d'air inférieure à cinq cent millibars. II peut être réalisé en tout matériau rigide ou souple, soit d'une seule pièce soit par juxtaposition d'une pluralité d'éléments. II est réalisé de manière à permettre en l'extrémité OO de la chambre de culture le libre passage des fluides en phase liquide et ou gazeuse entre les deux parties rectilignes du dispositif. Le contenu liquide de la chambre de culture O occupe de dix à soixante dix pour cent de la partie basse de la section transversale de la dite chambre de culture tel qu'illustré par la figure 4, la libre circulation de l'air et des gaz étant librement assurée sur toute la longueur de la dite chambre de culture, dans la partie supérieure de la section transversale non occupée par le liquide. Quelque soit le mode de réalisation particulier de la chambre de culture, celle ci est maintenue en surpression interne d'air, par tout moyen technique approprié tel que compresseur, turbine, ventilateur, pour éviter, en cas de fuite dans l'une des parois de la dite chambre de culture que des fluides extérieurs, gaz ou liquides puissent pénétrer par ces fuites à l'intérieur de la chambre de culture. Selon des modes particuliers de réalisation de l'invention la chambre de culture peut être réalisée par tout assemblage de matériaux souples ou rigides, ou par assemblage de sections souples avec des sections rigides. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, la chambre de culture peut 40 être positionnée entièrement sur une étendue d'eau naturelle ou artificielle de faible profondeur. 4 En cas d'utilisation d'un matériau souple pour la réalisation de la partie supérieure de la chambre de culture, celle-ci est maintenue éloignée de la surface libre du liquide contenu par l'adaptation du niveau de la surpression de l'air contenu, pour soulever la masse de cette partie supérieure sur toute sa surface. En cas d'utilisation d'un matériau souple pour la réalisation de la de la partie supérieure de la chambre de culture, Celle-ci est dimensionnée et disposée de manière à pouvoir, en position dégonflée reposer sans tension sur le fond de la chambre de culture vide de tout contenu liquide. Elle peut ainsi être, en cas de besoin, volontairement inondée et recouverte d'une couche d'eau de plusieurs centimètres ce qui sécurise l'installation face aux effets destructeurs de vents violents Chacune des deux extrémités ouvertes juxtaposées de la chambre de culture est connectée, de manière permanente et étanche au " bloc technique " O. • le " bloc technique " O selon l'invention est un dispositif compact dont les 15 dimensions, variables selon les modes particuliers de réalisation restent dans les limites suivantes : la longueur est au plus égale à la largeur des deux voies support de la chambre de culture augmentée de celle de l'espace qui les sépare, la largeur est inférieure à trois mètres et le volume interne est compris entre un et vingt pour mille du 20 volume de la chambre de culture OO à laquelle il est connecté. Comme illustré par la figure 3 Il est positionné de telle manière que, selon les modes particuliers de réalisation de l'invention, sa base se trouve entre zéro et trois mètres sous le niveau de la chambre de culture et que son sommet se trouve à une altitude supérieure à celle de la chambre de culture. 25 Il constitue un ensemble intégré, fermé, qui contient tous les dispositifs techniques nécessaires au bon fonctionnement du photobioréacteur. II assure les fonctions suivantes : - la circulation du milieu de culture entre les deux voies de la chambre de culture à l'aide de tous dispositifs adaptés tel que à titre d'exemples non 30 exhaustifs, canal, tube ou tuyau, vannes, pompes, cuves ou tout autre dispositif adapté à un mode de réalisation particulier. - la gestion de la mise en surpression permanente de la chambre de culture à partir de tout dispositif adapté tels que à titre d'exemple non exhaustif, ventilateur, soufflante, compresseur, évent, manomètre. 35 - l'introduction des éléments solides, liquides ou gazeux nécessaires à la conduite des cultures par les conduites, canalisations et vannes adaptées et connues de l'homme de l'art. - le contrôle permanent ou ponctuel des cultures à partir de tous dispositifs de mesure tels que à titre d'exemples non exhaustifs, thermomètre, débitmètre, 40 Ph-mètre, conductimètre. -l'extraction des déchets minéraux ou organiques hors de la chambre de culture à partir de tout dispositif adapté tel que à titre d'exemple non exhaustif pompe, filtre, décanteur, centrifugeuse. - l'extraction temporaire du milieu de culture hors de la chambre de culture 5 aux fins de récolte de la biomasse produite et sa réinjection dans la dite chambre au moyen de tout dispositif adapté à chaque mode de réalisation particulier. - la régulation thermique du liquide contenu dans la chambre de culture par tout système de production de froid ou de chaleur adapté au mode particulier de réalisation. Selon le mode général de réalisation de l'invention illustré par la figure 2 la seconde enceinte de confinement() est constituée par un bâtiment, aux formes et dimensions adaptées aux modes particuliers de réalisation, réalisé selon les règles de l'art. Elle occupe une superficie inférieure à cinq pour cent de celle de l'ensemble des photobioréacteurs qu'elle regroupe. En plus des " blocs techniques " elle contient les dispositifs nécessaires pour assurer les fonctions suivantes : - le confinement de la zone de travail par la mise en place des dispositifs connus de l'homme de l'art et d'usage courant dans l'industrie pharmaceutique tels que à titre d'exemple non exhaustif fenêtre à châssis fixe, sas d'entrée sortie, système de conditionnement de surpression et de filtration d'air. - la récolte de la biomasse contenue par tout dispositif adapté connu de l'homme de l'art, tel que, à titre d'exemple non exhaustif filtre à tambour rotatif, filtre à tamis vibrant, filtre sous vide d'air. - l'approvisionnement des photobioréacteurs en intrants liquides gazeux ou solides ce qui suppose les unités de stockage de produits, les canalisations de distribution de gaz et de liquides adaptés aux nécessités de l'exploitation selon les modes particuliers de réalisation. - Le traitement de la biomasse récoltée et son conditionnement sous forme fraîche, surgelée ou déshydratée à partir de dispositifs techniques tels que, à titre d'exemples non exhaustifs pressoir, séchoir, centrifugeuse, système de lyophilisation, tunnel de surgélation, ensacheuse, chambre froide, tour d'atomisation, broyeur. Pour respecter le positionnement spatial, décrit précédemment, du bloc technique par rapport à la chambre de culture associée, Il convient selon les modes de réalisation particuliers de l'invention soit de construire la seconde enceinte de confinement sous le niveau du sol ou sont positionnées les chambres de culture, soit d'aménager dans cette enceinte, à l'endroit de chaque " bloc technique ", une fosse permettant de l'y positionner 6 Selon un mode particulier privilégié et représentatif de l'invention, les chambres de culture sont réalisées à partir d'une gaine de matériau souple étanche a l'eau et à l'air, perméable à la lumière visible et gonflable susceptible de supporter une surpression interne d'air ou de gaz inférieure à cinq cent millibars. Une gaine de film polyéthylène agricole translucide d'une épaisseur minimale de vingt centièmes de millimètre obtenue par le procédé industriel connu de l'extrusion est à titre d'exemple non limitatif un matériau adapté à la construction du dispositif. La longueur de la gaine est comprise entre vingt et deux mille fois sa laize la longueur requise pour un mode particulier de réalisation de l'invention peut être obtenue par la mise bout à bout et l'assemblage par soudure ou collage par tout moyen technique approprié connu de l'homme de l'art de plusieurs gaines de laize identiques et de longueurs inférieures. un revêtement de la voie support nivelée comme décrit précédemment selon le mode de réalisation général de l'invention peut être réalisé selon les règles de l'art en tout matériau adapté tel que, à titre d'exemple non limitatif, sable, béton, bitume, bois, carrelage, avec la fonction principale de protéger l'intégrité physique de la gaine souple, réputée fragile. Cette protection peut être renforcée par l'insertion d'une couche de protection entre la dite gaine et la dalle support, revêtue ou non, ladite couche pouvant être composée d'un film plastique, d'un feutre, d'une géo membrane, d'un géotextile ou de toute autre matière ou matériau adapté à cet usage. La masse du liquide constituant le milieu de culture une fois introduit dans la gaine assure, compte tenu du profil transversal de la dalle support l'ancrage au 25 sol indispensable du dispositif. La chambre de culture est maintenue en légère surpression d'air ou de gaz de l'ordre de quelques dizaines de millibars obtenue à partir d'un dispositif de compression d'air adapté situé dans le " bloc technique " juxtaposé à la chambre de culture. La surpression interne est adaptée en permanence pour autoriser les 30 déformations de ladite chambre de culture sous l'effet du vent ou d'une pression exercée par tout moyen sur la face externe de la dite gaine. Le dispositif global, selon l'invention, est particulièrement destiné à l'équipement de sites de production de volumineuses biomasses de micro-organismes aquatiques photosynthétiques, d'une superficie opérationnelle au moins égale à 35 un hectare. Revendications 1) système de production de biomasses de toutes espèces de micro algues et de cyanobactéries, et plus généralement de tous micro organismes dont la croissance repose sur ta photosynthèse en milieu liquide caractérisé par la construction in situ de deux enceintes de confinement imbriquées : i) La première enceinte de confinement étant constituée d'un photobioréacteur de grande taille composé de deux sous dispositifs juxtaposés et interdépendants qui sont a) une chambre de culture étanche à l'air et à l'eau et perméable à la lumière visible sur sa partie supérieure, d'un volume intérieur supérieur à cinquante mètres cubes, construite longitudinalement sur un sol plan et profilé. b) un "bloc technique" juxtaposé à la chambre de culture en l'une de ses extrémités et qui regroupe l'ensemble des équipements techniques de conduite et de contrôle des cultures, de régulation thermique et de circulation de tous les fluides. ii) La seconde enceinte de confinement regroupant les " blocs techniques " de plusieurs photobioréacteurs juxtaposés. Cette seconde enceinte contient tous les moyens techniques nécessaires d'une part au fonctionnement normal des dits photobioréacteurs et d'autre part à la récolte et au traitement de la biomasse récoltée de manière à maintenir la production en ambiance confinée et contrôlée jusqu'au stade ultime de son conditionnement pour l'utilisation définie par l'exploitant. 2) système de production selon la revendication 1 caractérisée par une chambre de culture en forme de U, dont les deux extrémités libres juxtaposées sont connectées au " bloc technique " du photobioréacteur, 3) système de production selon l'une quelconque des revendications 25 précédentes caractérisée par le positionnement du " bloc technique " du photobioréacteur, sous le niveau du sol et celui de la chambre de culture. 4) système de production selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée par le maintien en surpression d'air de la chambre de culture. 30 5) système de production selon l'une quelconque des revendications précédentes et un mode particulier de réalisation de l'invention qui implique l'utilisation d'un matériau souple pour la réalisation de la partie supérieure de la chambre de culture, caractérisée par l'adaptation de la surpression d'air pour permettre de soulever la totalité de la masse de la dite partie supérieure sur 35 toute sa surface et la maintenir éloignée de la surface libre du liquide contenu. 6) système de production selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée par une hauteur de la chambre de culture inférieure à 25% de la largeur de sa voie. 7 7) système de production selon l'une quelconque des revendications précédentes selon le mode de réalisation particulier qui implique l'utilisation de matériau souple pour la couverture de la chambre de culture caractérisée par la possibilité de sécuriser l'installation par le recouvrement de la dite chambre de culture par une couche d'eau. 8) système de production selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée par le positionnement de la chambre de culture sur une étendue d'eau naturelle ou artificielle de faible profondeur.