Brevet FR2990955A1 — publié le 20131129

- 1 - DESCRIPTION Objet de l'invention L'invention est dans le secteur de la biotechnologie. Il s'agit d'un procédé pour la production de biomasse par prolifération de microorganismes photosynthétiques utilisant un photo-bioréacteur avec un support spécifique et d'un procédé pour la culture de mollusques et de poissons utilisant la biomasse produite comme matière fourragère aquatique. L'état des connaissances Sur la côte française de la Méditerranée, des huîtres et autres mollusques sont produits dans des bassins reliés à la mer (étangs). La première étape de l'élevage des huîtres est le pré-grossissement des juvéniles, d'une taille initiale de 5 à 10 mm, dans des sacs placés dans l'étang. A partir d'un certain âge, les jeunes huîtres (taille supérieure à 50 mm) sont collées avec du ciment sur des cordes en vue de leur grossissement. Les cordes sont fixées à des « tables » qui sont installées dans le bassin et surélevées d'un à deux mètres au-dessus du niveau de l'eau. Depuis les années 1960, la construction des tables est standardisée (typiquement 50 x 12 m) et spécifique pour l'étang de Thau, lieu de la production des célèbres « Huîtres de Bouzigues ». Une série d'arrêts dans la production de juvéniles a entraîné une crise dans la production des huîtres. Il est donc nécessaire de trouver une solution avec des moyens techniques peu onéreux mais très efficaces pour surmonter ce type de crise, liée à une mortalité élevée souvent due à une sensibilité des huîtres aux attaques virales et bactériennes (e.g. par le virus herpès oSHV1 ou la bactérie Vibrio splendidus) Une approche spécifique se trouve dans l'alimentation des juvéniles avec une nourriture bon marché, naturelle et riche en protéines et lipides (la biomasse). Cette biomasse doit être produite à proximité des sites de production des huîtres pour éviter le transport et un séchage intermédiaire de la biomasse humide. Le premier aspect de l'invention est donc la mise à disposition d'un procédé permettant la production de biomasse dans les conditions - 2 - citées, pour la mise en oeuvre de cet aliment dans la chaine de production des huîtres. Dans ce contexte, il faut remarquer que la production de biomasse par la culture de microorganismes, notamment de micro-algues en 5 présence de lumière, est connue depuis très longtemps. La production se fait dans des photo-bioréacteurs soit en système ouvert (open-ponds) ou dans des systèmes fermés. Dans le photo-bioréacteur, la culture de la biomasse est réalisée en présence des nutriments nécessaires et de dioxyde de carbone sous irradiation lumineuse, en utilisant notamment la lumière solaire 10 comme source d'énergie gratuite. La récolte peut se faire en continu, fedbatch ou batch. L'extraction de composés à haute valeur ajoutée (par exemple des caroténoïdes) peut être réalisée si souhaité. La biomasse est alors utilisée sous forme humide ou séchée comme nourriture additionnelle pour les jeunes huîtres. 15 Un des problèmes affectant la productivité des photo- bioréacteurs est l'utilisation limitée de la lumière solaire. L'utilisation de sources de lumière artificielles peut permettre d'augmenter la productivité des photo-bioréacteurs, mais à un prix qui n'est acceptable ni pour une production de biomasse destinée à l'alimentation de poissons et mollusques, 20 ni pour la production de biocarburants. Des solutions existent, utilisant des panneaux ou tubes dans une installation verticale, qui doivent être placés de façon à utiliser au mieux le rayonnement solaire. Cependant, la présence des réacteurs voisins entraîne toujours une dégradation des performances si l'on veut limiter la 25 consommation de surface pour une installation comportant plus d'un photobioréacteur. Il s'agit donc d'une solution technique bon marché mais avec des limites concernant l'efficacité d'utilisation de la lumière. Un deuxième aspect de la présente invention est de mettre à disposition un procédé de culture de micro-organismes photosynthétiques 30 exploitant la lumière solaire avec un rendement d'éclairage plus élevé que celui des solutions existantes. L'objet de cette invention est de proposer une solution pour les deux aspects cités. 35 Description de l'invention Le premier objet de l'invention est donc un procédé pour la production de biomasse, caractérisé par la croissance de micro-organismes - 3 - photosynthétiques dans un photo-bioréacteur bénéficiant d'un éclairage à la fois par incidence directe et également par incidence indirecte par réflexion selon une ou plusieurs autres directions. L'introduction d'une surface miroitante permet d'utiliser la lumière solaire avec un rendement plus important, résultant en une augmentation de la production de biomasse. Cela permet de travailler à des concentrations en biomasse plus élevées, ou avec des épaisseurs plus importantes, par exemple dans un photo-bioréacteur équipé de tubes de diamètre supérieur. Procédé La sélection de micro-organismes est un paramètre moins critique. Elle est définie par des facteurs tels que la vitesse de croissance et la teneur en composés d'intérêt - selon l'application prévue. En priorité, la 15 production d'algues et surtout de microalgues telles que Chlorella, Tetraselmis, Isochrysis, Pavlova, Phaeodactylum, Chaetoceros, Nannochloropsis, Skeletonema et Thalassiosira sont connues comme nutriments des mollusques [P. Spolaore, C. Joarmis-Cassan, E. Duran, A. Isambert. Commercial applications of microalgae. Journal of Bioscience 20 and Bioengineering, 101: pp. 87-96, 2006]. Une algue telle que Dunaliella salina est également bien appropriée parce qu'elle existe déjà dans les étangs (à des concentrations faibles) et peut bien survivre dans des conditions de haute salinité et avec une haute luminosité. L'extraction des caroténoïdes après la récolte permet de produire une substance à haute 25 valeur ajoutée pour augmenter la rentabilité du procédé. Les microalgues présentes naturellement dans les lieux de production (comme l'étang de Thau), ou connues dans la littérature, peuvent être produites pour l'application en supplémentation de l'alimentation des jeunes huîtres. Selon leur vitesse de croissance, les 30 microalgues peuvent être produites pures ou en mélange de façon à obtenir la meilleure composition du produit final suivant l'application prévue. La nature des photo-bioréacteurs sera décrite au cours du texte de l'invention. Les réacteurs sont constitués de verre ou de toute matière transparente. La matière transparente peut être rigide ou flexible, comme 35 par exemple un tuyau en plastique souple. Pour une meilleure utilisation de la lumière solaire, les photobioréacteurs sont posés au-dessus d'une surface miroitante de façon à - 4 - utiliser la lumière réfléchie en plus de la lumière incidente. De préférence, le miroir est formé par la surface d'un plan d'eau. Le photo-bioréacteur est fixé sur ou au-dessous d'une construction porteuse placée au-dessus de la surface miroitante. Dans une forme préférée, cette construction est une table utilisée en conchyliculture pour l'accrochage des cordes portant les huîtres ou autres mollusques en cours d'élevage. Pour cette raison, les photobioréacteurs basés sur ce type de construction se trouvent préférentiellement dans des régions où l'on trouve des tables pour la production d'huîtres. La côte française de la Méditerranée est particulièrement bien adaptée du fait du grand nombre d'heures ensoleillées observé pendant l'année, critère absolument nécessaire si l'on veut éviter de recourir à une irradiation artificielle. Les grands volumes d'eau présents sur les sites de production d'huîtres assurent par ailleurs une régulation naturelle de la température dans l'environnement du photo-bioréacteur. Dans le cas de l'étang de Thau par exemple, l'eau de l'étang ne gèle presque jamais, ce qui permet une opération continue du photo-bioréacteur pendant toute l'année. L'existence d'un grand nombre de tables disponibles permet d'envisager une production de biomasse sur une grande surface. La figure 1 montre un schéma de principe de l'organisation d'un photo-bioréacteur sur une table utilisant à la fois l'incidence directe et par réflexion de la lumière solaire. Génération de biomasse par culture de microalgues dans un photo-bioréacteur La production de microalgues dans des systèmes fermés devient un enjeu de plus en plus important, que ce soit en vue d'atteindre une productivité plus élevée ou pour obtenir des produits propres, non dégradés par des effets extérieurs. Ainsi, les systèmes en bassins ouverts, ou raceways, arrivent à une productivité de l'ordre de 0.1 à 1 g/h/m3 alors que les photo-bioréacteurs fermés (PBR) solaires ont une productivité allant de 10 à 100 g/h/m3. Pour produire une biomasse de composition bien définie, il est également nécessaire de travailler dans des systèmes fermés parce que des espèces concurrentes à croissance plus rapide peuvent modifier la composition du produit final et le rendre inutilisable. Un autre aspect important est la surface occupée par les cultures de micro-algues, surtout dans des régions agricoles. En effet, selon Chisti [Biodiesel from microalgae, Biotechnol. Adv. 25:294-306, 2007] la - 5 - productivité d'une culture d'algue (avec une teneur en huile de 30%) pourrait atteindre 58700 L/ha contre 1190 L/ha pour le colza. Il existe actuellement un grand nombre d'installations de PBR, sous forme de petites unités de production ou de pilotes, avec des schémas de constructions très différents. L'objectif est toujours d'arriver à une meilleure efficacité de conversion de l'énergie solaire en biomasse (ex. Pulz et al., Photobioreactors: Design and performance with respect to light energy input, in: Bioprocess and Algae Reactor Technology, Apoptosis, vol. 59, Springer Berlin / Heidelberg, pp. 123-152, 1998) Les installations les plus souvent utilisées sont les photo- bioréacteurs basés sur le concept du réacteur tubulaire (avec beaucoup de modifications) posé sur le sol et optimisé pour éviter trop d'ombre entre les unités. Pour réduire l'influence des conditions météorologiques, les installations se trouvent souvent sous serre. Des critères de construction optimale sont par exemple décrits par Posten [Design principles of photobioreactors for cultivation of microalgae, Eng. Life Sci. 9:165-177, 2009]. Cependant, le problème de l'optimisation de l'approvisionnement en lumière est encore un objet de recherche important. Par exemple, des diodes électroluminescentes (LED) sont parfois installées pour augmenter la productivité, avec cependant des coûts d'investissements beaucoup plus importants (voir par ex. Bosma et al., Int. Sugar J. 112:74-85, 2010). La production des microalgues cultivées en eau de mer se fait jusqu'à présent dans des bassins ouverts ("open ponds", par exemple par BASF - ex. Cognis - en Australie). Il existe des brevets qui décrivent la pose de réacteurs (flexibles) dans l'eau, mais pour éviter trop de perte de lumière les systèmes doivent être flottants, par exemple sur coussin d'air. Deux exemples sont à mentionner : WO 2008 134010 A2 et WO 2011 113006 Al. Cependant, comme les réacteurs sont partiellement submergés, le rendement d'utilisation de la lumière est réduit. L'idée de la présente invention inclut l'utilisation de la réflexion de la lumière sur la surface de l'eau pour augmenter la productivité. L'utilisation de la surface de l'eau - avec l'exploitation de l'effet de la réflexion de la lumière pour arriver à des productivités plus importantes, est un concept tout-à-fait nouveau. Une solution proposée dans ce concept est l'utilisation de rayonnages existants dans l'eau pour monter des PBR. Une construction spécialement utilisable est la table pour la production des huîtres telle que - 6 - mise en oeuvre sur l'étang de Thau (Languedoc-Roussillon). Les tables sont des structures métalliques qui servent de support à l'accrochage de cordes supportant les huîtres, elles-mêmes collées aux cordes par du ciment. Typiquement, les tables ont des dimensions de 50 m de longueur et 12 m de largeur. Elles sont installées à environ 50 - 100 cm au-dessus de la surface de l'eau. Avec ces dimensions, elles sont idéales pour monter des unités de PBR, en évitant une hauteur trop grande par rapport à la surface de l'eau. Normalement, les tables peuvent porter jusqu'à 120 t d'huîtres, c'est-à-dire qu'une unité de PBR (avec pompe de recirculation, station de dosage de CO2, unité de dégazage d'02, système d'extraction de la biomasse, etc.) peut être montée sur une table - non-utilisée ou même utilisée - avec renforcement de la statique de la table. De nombreux modèles déjà existants de réacteurs peuvent être utilisés (réacteurs tubulaires, des constructions basses étant préférables pour 15 ne pas risquer une destruction par le vent). La distance entre les tables et la côte étant seulement d'environ 200 m, l'approvisionnement des PBR avec CO2 peut se faire par des tubes flexibles à partir d'une unité produisant un gaz d'échappement riche en CO2. Il peut s'agir par exemple d'une station de combustion de déchets issus 20 de la production de fruits de mer (destinée à limiter la production de mauvaises odeurs). L'installation des PBR sur les tables à environ 50 cm au-dessus de la surface de l'eau garantit aussi une régulation naturelle de la température autour du PBR. En effet, la masse d'eau, dont la température 25 descend rarement en dessous de 4°C pour le cas de l'Etang de Thau, agit comme un grand réservoir de calories qui permet de travailler plus longtemps en production. La grande capacité calorifique de l'eau permet ainsi d'utiliser les PBR sans isolation thermique additionnelle. Il n'est donc pas nécessaire de protéger les réacteurs, contrairement aux unités au sol qui 30 doivent être couvertes pour éviter le gel et les dégradations de l'installation. Dans une réalisation technique possible, quatre PBR ou plus sont groupés autour d'une station de récolte qui contient aussi tout le matériel d'infrastructure nécessaire pour leur opération. Ce concept permet de minimiser les coûts d'investissement. 35 Une option intéressante est l'utilisation du CO2 produit par la respiration des huîtres, si on peut le capturer et conduire au PBR. Sur la base des informations disponibles dans la littérature scientifique, on peut - 7 - estimer une production par les huîtres d'environ 0.3 à 1.1 kg de CO2 par heure pour une table, permettant la production potentielle d'environ 0,6 kg de biomasse d'algue par heure. Pour une concentration en algues dans un PBR de 0.5 à 3 g/L, cela peut permettre d'opérer des unités de plusieurs mètres cubes. L'oxygène produit par les algues dans le photo-bioréacteur peut lui-même être injecté dans l'eau de l'étang, par exemple au voisinage des huîtres sous la table portant le photo-bioréacteur. Après culture et récolte de la biomasse, une étape d'extraction des composés à haute valeur ajoutée peut suivre, surtout si ces produits d'intérêt ne sont pas nécessaire pour l'application de nutrition des juvéniles/jeunes algues ou si leur teneur est très supérieure à celle attendue pour cette application. On peut citer comme exemples de composés à haute valeur ajoutée des antioxydants tels que lutéine, lycopène, carotène ou astaxanthine, ainsi que des pigments. La séparation peut se faire par les méthodes classiques d'extraction liquide-liquide ou solide-liquide, ou si nécessaire par des traitements avec un fluide supercritique tel que le CO2. La biomasse restante après extraction peut être utilisée directement sous forme humide ou, en vue d'un stockage prolongé, sous forme congelée ou lyophilisée. Dispositif du photo-bioréacteur et support Un autre aspect de l'invention est la conception du dispositif constitué d'une combinaison d'un ou plusieurs photo-bioréacteurs et d'un support. Un support particulièrement adapté est constitué par une table du type de celles utilisées pour la fixation des cordes pour l'élevage des huitres et des moules dans la conchyliculture. Les tables sont fixées sur le fond du bassin et émergent au-dessus de l'eau. Les photo-bioréacteurs sont installés sur ou au-dessous des tables d'une manière telle que les rayons solaires les atteignent à la fois directement et par miroitement sur la surface d'eau. La construction préférentielle est une unité assez légère avec des réacteurs de taille optimisée par rapport à la stabilité statique des tables et à la résistance au vent de l'installation. La recirculation de la phase liquide peut se faire avec des petites pompes solaires. La source de CO2 peut être un réservoir à côté de la table, ou si on n'est pas loin de la côte un système de flexibles relié à une source terrestre. - 8 - Procédé pour l'élevage de poissons, huîtres, moules et autre mollusques ou crustacés Un dernier aspect de l'invention concerne le procédé d'élevage des poissons, huîtres, moules et autre mollusques ou crustacés dans des étangs, par (a) la fixation d'un ou plusieurs photo-bioréacteurs au-dessous ou sur les tables utilisées pour la production des huîtres ou moules d'une manière qui permet l'utilisation de la radiation solaire directe et par réflexion sur la surface d'eau, et (b) l'utilisation, directe ou après séparation des coproduits de haute valeur, de la biomasse produite dans les photo-bioréacteurs pour l'élevage d'huîtres, moules ou autres mollusques, poissons et crustacés. La production parallèle de macro-algues et de fruits de mer est étudiée intensivement dans des parcs éoliens de la Mer du Nord par l'institut Alfred-Wegener à Bremerhaven (Allemagne) [voir par exemple Buck et al., J. Appl. Phycol. 16 :355-368, 2004]. Une valorisation directe de la production de biomasse algale dans la présente invention est la production de nutriments pour les naissains d'huîtres qui doivent être élevés dans des systèmes fermés et alimentés avec un cocktail de microalgues [voir par exemple Helm et al., Ecloserie de bivalves - Un manuel pratique, in: A. Lovatelli (Ed.) FAO document technique sur les pêches n°471, FAO, Rome, 184 pages, 2006]. On peut notamment valoriser la biomasse humide sans coûts additionnels et élever les naissains dans la même région que les algues en évitant les pertes dues au transport et les autres risques liés à la distance au site de production des algues. La biomasse peut être injectée directement dans l'étang. Il est cependant avantageux d'utiliser la biomasse produite pour un pré-grossissement des naissains dans des bassins séparés qui contiennent de l'eau de l'étang - si nécessaire purifiée par exemple par un traitement UV pour réduire les risques d'importation de virus etc. La biomasse utilisée pour l'alimentation des naissains peut particulièrement être constituée de souches de microalgues existant naturellement dans le système biologique de l'étang mais produites de façon optimale dans les photo-bioréacteurs. Il peut également s'agir d'un cocktail de microalgues additionnelles, également produites dans les photo-bioréacteurs, qui s'avèrerait plus efficace pour accroître la résistance des huîtres aux maladies microbiennes ou virales. Cette supplémentation en nourriture spécifique permet - 9 - d'augmenter la vitesse de croissance des jeunes huîtres avant les placer au coeur de l'étang pour la croissance finale. Cette étape intermédiaire naturelle, qui réduit le stress dû au transport et au changement d'eau et de nourriture, permet aussi une réduction de la mortalité des jeunes huîtres. Enfin, le procédé selon l'invention est encore avantageusement caractérisé en ce qu'il utilise comme matériel pour le photo-bioréacteur du verre, un polymère rigide transparent ou une pellicule plastique transparente, et par l'utilisation de l'oxygène produit par les microorganismes pour un meilleur développement des jeunes huîtres et moules dans des bassins spécifiques. Avantageusement, l'installation selon l'invention est, en outre, caractérisée par l'utilisation de la biomasse produite par le pré-grandissement des huîtres dans des cuves disjointes. REVENDICATIONS1. Procédé pour la production de biomasse, caractérisé par la culture de microorganismes dans un photo-bioréacteur éclairé selon au minimum une direction par incidence directe et au minimum une autre direction par réflexion. 2. Procédé de la revendication 1, utilisant des microorganismes photosynthétiques (microalgues au sens large) 3. Procédé suivant les revendications 1 et 2, utilisant comme matériel pour le photo- bioréacteur du verre, un polymère rigide transparent ou une pellicule plastique transparente. 4. Procédé suivant au minimum une des revendications 1 à 3, caractérisé par le placement du photo-bioréacteur au-dessus d'une surface miroitante. 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé par une surface d'eau comme surface miroitante. 6. Procédé suivant au minimum une des revendications 1 à 5, caractérisé par la fixation du photo-bioréacteur sur ou au-dessous d'un support placé au-dessus d'une surface miroitante. 7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé par l'utilisation de tables de conchyliculture comme support et une surface 20 d'eau comme surface miroitante. 8. Procédé suivant au minimum une des revendications 1 à 7, caractérisé par l'utilisation partielle du dioxyde de carbone produit par les animaux marins élevés à proximité pour l'alimentation des microorganismes dans le photo-bioréacteur. 25 9. Procédé suivant au minimum une des revendications 1 à 8, caractérisé par l'utilisation de l'oxygène produit par les microorganismes pour un meilleur développement des jeunes huîtres et moules dans des bassins spécifiques. 10. Procédé suivant au minimum une des revendications 1 à 9, 30 caractérisé par l'extraction des co-produits de la biomasse après culture et récolte. 11. Installation composée d'un photo-bioréacteur et d'un support, ce support étant une table de conchyliculture utilisée pour supporter des cordons d'huîtres, fixée au sol et dépassant la surface de- 11 - l'eau, sur ou sous laquelle est monté un photo-bioréacteur de façon à ce que le rayonnement lumineux l'atteigne à la fois directement et indirectement par réflexion sur la surface de l'eau. 12. Procédé pour l'élevage des poissons, huîtres et autres 5 mollusques et crustacés dans des étangs de bord de mer par (a) l'installation des photo-bioréacteurs sur une ou plusieurs tables de conchyliculture pour la production de biomasse par culture de microorganismes photosynthétiques, de façon telle que le rayonnement lumineux leur parvienne à la fois directement et indirectement par réflexion 10 sur la surface de l'eau, et (b) l'utilisation de la biomasse produite de cette façon comme nutriments dans la culture des huîtres, poissons et autres fruits de mer, directement ou après l'extraction des co-produits de valeur. 13. Procédé suivant la revendication 12, caractérisé par 15 l'utilisation de la biomasse produite pour le pré-grandissement des huîtres dans des cuves disjointes.