Brevet FR3049956A1 — publié le 20171013

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine des procédés de culture des micro-algues, plus particulièrement un procédé de culture de micro-algues dans un photobioréacteur, ainsi que l'installation pour la mise en oeuvre d'un tel procédé. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Pour croître et se développer, la biomasse, telle que les micro-algues, a besoin d'éléments nutritifs minéraux, mais aussi d'eau, de CO2 et de lumière, pour réaliser sa photosynthèse. Dans un contexte de lutte contre le réchauffement climatique et du fait d'une consommation spécifique de CO2 plus importante au m2 que les plantes terrestres (environ 10 fois plus importante), ont été conduites depuis une vingtaine d'années de nombreuses recherches visant à développer des procédés de captage et de valorisation de gaz et fumées d'origine industrielle riches en CO2 via l'utilisation de microalgues afin de produire des molécules d'intérêt ou des biocarburants. Récemment, il a été proposé d'utiliser des effluents gazeux industriels tels que les effluents gazeux de cimenteries pour enrichir les milieux de culture de certaines 20 micro-algues en dioxyde de carbone. Cependant, selon leur origine, les effluents gazeux industriels peuvent être chargés en composants inhibant la croissance des micro-organismes concernés, ou réduisant les capacités ultérieures d'utilisation de ces micro-organismes. 25 Par exemple, le document de C.G.Borkenstein (J. Appl. Phycol. Published online 09 July 2010), qui décrit un procédé utilisant comme source carbonée de culture d'une algue verte un effluent gazeux de cimenterie, conclut que le plomb s'accumule dans la biomasse algale (avec un taux trois fois supérieur à la valeur de la référence) qui 30 ne doit donc pas être utilisée en tant que complément alimentaire ni nourriture pour les animaux. BUT DE L'INVENTION Un premier but de l'invention est donc de proposer un procédé de culture de micro-35 algues à partir d'effluent de gaz industriel contenant du dioxyde de carbone qui 3049956 2 n'altère pas les propriétés de ces micro-algues et permette leur valorisation, notamment dans l'alimentation animale ou humaine. Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de culture de micro-algues à 5 partir d'effluent de gaz industriel contenant du dioxyde de carbone qui soit applicable également à des cyanobactéries. DESCRIPTION DE L'INVENTION A cet effet la présente invention concerne un procédé de culture de micro-algues 10 et/ou de cyanobactéries dans un photobioréacteur renfermant un milieu nutritif incluant une source carbonée, caractérisé en ce que la source carbonée est un effluent de gaz industriel contenant du dioxyde de carbone, et en ce que le procédé comprend les étapes successives suivantes : a) - Le captage de l'effluent gazeux industriel (fumées) humide contenant du 15 dioxyde de carbone, b) - Le séchage/purification dudit effluent gazeux par refroidissement, provoquant la condensation de la fraction humide et l'obtention d'un effluent gazeux sec, c) - La séparation du condensat de l'effluent gazeux sec contenant du dioxyde de carbone, d) - le suivi du pH du milieu de culture dans le photobioréacteur renfermant une ou plusieurs souches de micro-algues et/ou cyanobactéries, avec détermination d'une gamme de pH optimale pour la croissance desdites souches, el) - L'enrichissement en dioxyde de carbone (carbonatation) d'une solution nutritive des micro-algues et/ou cyanobactéries au moyen dudit effluent sec/purifié, suivi, en fonction du pH du milieu de culture, de l'injection de ladite solution nutritive enrichie en dioxyde de carbone dans le photobioréacteur, ou e2) - l'injection directe de l'effluent sec contenant le dioxyde de carbone dans le photobioréacteur, f) - La récolte de la biomasse produite en vue de sa valorisation L'importance de l'étape de séchage de l'effluent gazeux, permettant l'obtention d'un gaz sec, réside également dans l'élimination de tous les éléments entrainés par condensation de la fraction humide du gaz, entrainant simultanément la réduction des poussières résiduelles et des éléments solubles dans la vapeur d'eau. Cette étape est ainsi également qualifiée d'étape de purification de l'effluent gazeux. 3049956 3 Avantageusement au moins une partie des calories récupérées lors du refroidissement de l'effluent brut sont dirigées vers le photobioréacteur et/ou vers le gaz sec, afin de remonter sa température. 5 De préférence, la teneur en vapeur d'eau du gaz sec sous pression atmosphérique est inférieure ou égale à 3 %, de préférence inférieure ou égale à 1 %. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le gaz sec vient enrichir en CO2 10 la solution nutritive avant son entrée dans le photobioréacteur. Selon un second mode de réalisation de l'invention, le gaz sec est injecté directement dans le photobioréacteur, la solution nutritive étant introduite séparément. 15 De manière avantageuse, l'effluent gazeux est un effluent issu de l'industrie cimentière, plus particulièrement capté dans le conduit de la cheminée d'une cimenterie, avant son rejet dans l'atmosphère. Un tel procédé permet ainsi le recyclage des fumées de cimenterie, avec avantageusement une valorisation également de la chaleur fatale du procédé de clinkérisation. 20 Les exemples présentés plus loin montrent qu'un tel effluent, issu de cimenterie, n'est pas, contrairement à l'enseignement de l'état de la technique mentionné en introduction, préjudiciable à la valorisation ultérieure des micro-algues ainsi produites, même à une valorisation dans le domaine alimentaire. 25 Le fonctionnement d'une cimenterie étant continu, le procédé de culture selon l'invention peut être réalisé en continu. Plus particulièrement les micro-algues et/ou cyanobactéries cultivées selon le procédé 30 de l'invention peuvent être choisies parmi les souches suivantes : Arthrospira platensis (spiruline), Chlorelle vulgaris ou encore Nannochioropsis oculata. L'introduction du gaz sec susmentionné est asservie au pH du milieu de culture. En effet, une quantité trop importante de CO2 acidifie le milieu. De préférence, le pH du 35 milieu de culture est régulé entre 6 et 10, de préférence entre 7 et 8 pour la souche 3049956 4 Chlorelle vulgaris, de préférence entre 9 et 10 pour la souche Arthrospira platensis. Il est apparu qu'au moins une fraction du condensat est introduite dans le photobioréacteur, sans que cela soit préjudiciable : ni en ce qui concerne le 5 rendement de la culture, ni à la qualité des micro-algues ou cyanobactéries. De préférence, le refroidissement de l'effluent est effectué à une température inférieure ou égale à 5 °C, de préférence à une température inférieure ou égale à 2 °C. 10 Après séparation d'avec le condensat, le gaz sec est avantageusement réchauffé avant bullage dans le milieu de culture, de préférence, à une température supérieure ou égale à 20 °C et inférieure ou égale à la température optimale (Arthrospira platensis (spiruline) 90% de la fraction humide de la fumée de cimenterie > 95% des poussières totales en masse (incluant les poussières de cru et les métaux 15 y compris les métaux lourds) > 99% de HCI + NH3 + HF > 60% des imbrûlés > 15% des NOx 20 Les analyses des eaux de condensation (condensats) montrent que l'on y retrouve des constituants du cru et du clinker (de la cimenterie) tels que : calcium, potassium, sodium, soufre, silicium, magnésium, aluminium, fer (appelés éléments « majeurs » : calcium entre 40 et 80 mg/L, potassium de 6 à 10 mg/L, tandis que les éléments aluminium, magnésium, sodium, soufre et silice sont presque tous dans une gamme 25 de 1 à 7 mg/L). On retrouve dans les eaux de condensation des ions nitrites (de 50 à 100 mg/L) et des ions nitrates (de à 10 mg/L) ainsi que des traces d'imbrûlés. 30 On y retrouve également des éléments métalliques en très faibles proportions (appelés éléments « mineurs ») : les concentrations en arsenic ( 1 %), les souches Chlorelle 20 vulgaris et Nannochioropsis oculata continuent à présenter une bonne résistance aux condensats. REVENDICATIONS1. Procédé de culture de micro-algues et/ou de cyanobactéries dans un photobioréacteur (1) renfermant un milieu nutritif incluant une source carbonée, caractérisé en ce que la source carbonée est un effluent de gaz industriel contenant du dioxyde de carbone, et en ce que le procédé comprend les étapes successives suivantes : a) - Le captage de l'effluent gazeux industriel humide contenant du dioxyde de carbone, b) - Le séchage/purification dudit effluent gazeux par refroidissement, provoquant la condensation de la fraction humide et l'obtention d'un effluent gazeux sec, c) - La séparation du condensat de l'effluent gazeux sec contenant du dioxyde de carbone, d) - le suivi du pH du milieu de culture dans le photobioréacteur renfermant une ou plusieurs souches de micro-algues et/ou cyanobactéries, avec détermination d'une gamme de pH optimale pour la croissance desdites souches, el) - L'enrichissement en dioxyde de carbone (carbonatation) d'une solution nutritive des micro-algues et/ou cyanobactéries au moyen dudit effluent sec/purifié, suivi, en fonction du pH du milieu de culture, de l'injection de ladite solution nutritive enrichie en dioxyde de carbone dans le photobioréacteur, ou e2) - l'injection directe de l'effluent sec contenant le dioxyde de carbone dans le photobioréacteur, f) - La récolte de la biomasse produite en vue de sa valorisation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'effluent gazeux est un effluent issu de l'industrie cimentière, plus particulièrement capté dans le conduit de la cheminée (2) d'une cimenterie, avant son rejet dans l'atmosphère. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit procédé est réalisé en continu. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les micro-algues ou cynanobactéries sont choisies parmi les souches suivantes : Arthrospira platensis (spiruline), Chlorelle vulgaris ou Nannochloropsis oculata. 3049956 17 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une fraction du condensat est introduite dans le photobioréacteur. 5 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le refroidissement de l'effluent est effectué à une température inférieure ou égale à 5 °C, de préférence à une température inférieure ou égale à 2 °C. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en 10 ce qu'au moins une partie des calories récupérées lors du refroidissement de l'effluent brut sont dirigées vers le photobioréacteur et/ou vers le gaz sec. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les différentes étapes comprenant le séchage/purification de l'effluent par 15 refroidissement, la séparation de l'effluent sec et du condensat, l'enrichissement en dioxyde de carbone du milieu de culture des micro-algues et l'injection dudit milieu de culture enrichi en dioxyde de carbone dans un photobioréacteur sont réalisées sous une pression relative comprise entre 0,1 et 2 bar, de préférence sous une pression relative comprise entre 0,2 et 1 bar. 20 9. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend les éléments suivants, de l'amont vers l'aval : - des moyens de prélèvement, tel qu'une pompe (3) de prélèvement, d'effluent 25 brut industriel ; - un séparateur gaz/liquide comprenant un échangeur de chaleur comportant un module de refroidissement (5) de l'effluent brut ; - ledit séparateur gaz/liquide étant connecté d'une part, pour la fraction liquide, à un organe de prélèvement du condensat, et d'autre part, pour la fraction gazeuse, à 30 des moyens d'introduction de l'effluent sec/purifié directement dans le photobioréacteur (1) ou dans un contacteur gaz /liquide renfermant une solution nutritive des micro-algues et/ou cyanobactéries destiné à enrichir en dioxyde de carbone ladite solution nutritive ; - des moyens d'injection, tel qu'une pompe (6) doseuse du milieu de culture enrichi 35 en dioxyde de carbone dans un photobioréacteur, 3049956 18 un photobioréacteur (1) contenant un milieu de culture renfermant une ou plusieurs souches de micro-algues et/ou cyanobactéries, équipé d'un pH-mètre de mesure dudit milieu de culture, et comprenant un module d'alimentation en solution nutritive de la biomasse et un module de prélèvement de la biomasse 5 produite dans ledit photobioréacteur. 10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que les organes de prélèvement de l'effluent brut gazeux industriel sont aptes à conférer une surpression, de préférence comprise entre 0,1 et 2 bar, de préférence encore 10 comprise entre 0,2 et 1 bar, au circuit du gaz jusqu'aux moyens d'introduction de l'effluent sec dans le photobioréacteur ou jusqu'au contacteur gaz /liquide renfermant la solution nutritive. 11. Installation selon la revendication 9 ou 10, en relation avec la revendication 7 de 15 procédé, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur est relié au photobioréacteur afin de lui apporter des calories en vue d'optimiser sa température de fonctionnement et/ou au gaz sec afin de remonter sa température après sa séparation d'avec le condensat. 20 12. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que le photobioréacteur est un photobioréacteur tubulaire fermé. 13. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que le photobioréacteur est un photo-bioréacteur plan. 25 14. Installation selon la revendication 9, caractérisé en ce que le photobioréacteur est un photobioréacteur ouvert, de type bassin à circulation circulaire clos ou ouvert. 15. Utilisation de l'installation selon l'une quelconque des revendications 9 à 14, pour 30 le recyclage d'effluent gazeux de cimenterie contenant du dioxyde de carbone.