Brevet FR3093516A1 — publié le 20200911

Description Titre de l'invention : SYSTÈME D'AGITATION ET BASSIN MUNI D'UN TEL SYSTÈME D'AGITATION [0001] La présente invention concerne un système (l'agitation et un bassin muni d'un tel système (l'agitation, notamment pour équiper (les photo-bioréacteurs de production de microalgues. [0002] Le développement de la culture algale, en particulier micro-algale en vue d'obtenir un biocarburant photosynthétique, des aliments humains ou animaux ou des composés nutraceutiques issus de la biomasse algale, ne pourra être assuré à grande échelle qu'en réduisant significativement le coût de construction des photo-bioréacteurs et de leur exploitation. En outre, la production algalc n'est pas réservée aux seules régions chaudes et ensoleillées, et il faut envisager des solutions techniques permettant d'augmenter la production algale dans des pays situés aux latitudes des régions tempérées, tout en minimisant les besoins en chaleur nécessaire au maintien à la température de croissance adaptée selon les souches de micro algues. [0003] On connaît déjà des photo-bioréacteurs qui équipent des bassins en circuit fermé, tel que celui décrit dans le document WO 2013/011448. H comprend un bassin fermé par un support de manches en matériau souple remplies de liquide pour capter et transmettre de la lumière au travers de la solution algalc contenue dans le bassin. [0004] Si ce bassin a permis de résoudre de nombreux problèmes techniques et économiques tels que l'augmentation de la productivité du bassin et la réduction des coûts de fabrication des manches cylindriques qui diffusent la lumière, il nécessite encore un équipement relativement conséquent, une fabrication de composants coûteuse et complexe à mettre en oeuvre. En outre, cette technologie fermée ne s'applique qu'à des petits bassins pour la production de spiruline, de sorte qu'elle ne permet pas une production de microalgues à grande échelle. [0005] En outre, la concentration de lumière vers les manches est complexe, car elle fait appel à des lentilles mobiles qui doivent être dirigées dynamiquement et précisément vers les manches. [0006] Par ailleurs, la surface d'exposition à la lumière est restreinte à la surface des orifices du support dans lesquels débouchent les manches, le reste du support occultant l'intégralité de la surface libre du bassin. [0007] Cette technologie souffre également d'un problème d'encrassement externe des manches par le développement d'un biofilm au contact entre les manches et la solution algale. Il est donc nécessaire de vider régulièrement les manches puis de les retirer de la solution afin de les nettoyer. 2 [0008] Afin de résoudre les problèmes précédents, l'inventeur a développé un dispositif de capture, de transport et de diffusion de lumière dans une solution contenue dans un réservoir qui a fait l'objet de la Demande de brevet FR1801155 et qui est illustré en figure 1. [0009] Le dispositif 30 est plongé dans un bassin B contenant la solution algale S. Le dispositif comprend une manche cylindrique M transparente destinée à être remplie d'un liquide propre à transmettre et diffuser la lumière, et une cloche C étanche, transparente et formée par deux parois séparées par un interstice rempli de gaz. La cloche comprend une partie en dôme D prolongée par une partie tubulaire T, une première extrémité de la manche M étant destinée à être bloquée contre la cloche C de sorte qu'en position d'utilisation, la cloche flotte librement dans la solution et maintient émergée au moins la partie en dôme D et tout en assurant la verticalité de la manche M. [0010] Ces dispositifs, qui captent la lumière naturelle et la conduisent dans la solution algale, flottent librement à la surface du bassin, grâce à leur structure en cloche à double paroi étanche. [0011] Cependant, le flottage libre aléatoire sur toute la surface du bassin peut conduire à un agglutinement des dispositifs dans une partie du bassin, réduisant la production d'algue dans l'autre partie du bassin qui bénéficie, alors, d'une distribution d'éclairement moindre. C'est particulièrement vrai en cas de vent. [0012] Ce problème d'agglutinement se pose également pour tout autre dispositif flottant librement à la surface d'un bassin. On pense, par exemple, à des systèmes de mesure ou des systèmes de nutrition des algues ou de poissons, dont le mouvement doit être le plus aléatoire possible et couvrir la surface du bassin de manière uniforme (au moins d'un point de vue statistique) pour effectuer des mesures pertinentes ou assurer une nutrition homogène. [0013] Pour résoudre le problème d'agglutinement des dispositifs de capture, de transport et de diffusion de lumière, la Demande de brevet FR1801155 décrit un mode de réalisation de photo-bioréacteur dans lequel on dispose à la surface de la solution une structure maillée, telle qu'un filet, dont chaque maille est de dimension supérieure à un diamètre maximal Dl de la cloche des dispositifs de transport et de diffusion de lumière. Puis on dispose un dispositif de transport et de diffusion de lumière selon l'invention dans chaque maille, ou dans plusieurs mailles, de sorte qu'ils peuvent avoir chacun un mouvement aléatoire délimité par la maille dans lequel ils se trouvent. [0014] Cette solution évite l'agglutinement des dispositifs de capture, de transport et de diffusion de lumière, et pourrait être appliquée à tout dispositif en flottement libre à la surface du bassin. [0015] Cependant, l'immobilisation des puits de lumière sur un plan horizontal produit une 3 résistance statique à la circulation de la culture dans le bassin, ceci augmente la puissance nécessaire des pompes de circulation de l'eau afin d'assurer une répartition homogène, ce qui est coûteux en investissement et en consommation d'énergie. [0016] Par ailleurs, si elle permet un frottement très régulier des manches des dispositifs de capture, de transport et de diffusion de lumière de la demande de brevet FR1801155, ce qui évite la formation du hiofilm, cette solution limite cependant le mouvement des dispositifs et donc le mélange de la solution algale. [0017] Il est donc nécessaire, dans ce cas, d'équiper le bassin avec de puissants systèmes d'agitation de la solution. [0018] En effet, l'homogénéité de la concentration en micro algues dans l'eau de culture est essentielle pour assurer l'homogénéité de la diffusion des rayons lumineux qui conditionnent leur croissance. 11 est également nécessaire d'éviter les dépôts par décantation (sédimentation) qui sont propices au développement de micro-organismes indésirables ou de leur dégradation. Par ailleurs le contact fréquent de la surface lumineuse avec les micro algues (photo période) est un facteur de croissance essentiel. [0019] Or, les systèmes d'agitation connus présentent également de nombreux incon- vénients. En premier lieu, ils sont localisés à un endroit précis du bassin (généralement au fond du bassin près d'un bord), de sorte que l'agitation n'est pas homogène. Pour obtenir une bonne homogénéité, il est nécessaire de multiplier les systèmes cc qui est coûteux. [0020] En outre, ces systèmes sont généralement mécaniques et directement en contact avec la solution. Or, les algues sont souvent très fragiles, de sorte que les systèmes, à pales ou à pompe notamment, peuvent causer de sérieux dommages à la population algale. Par exemple, certaines souches de micro algues (Spiruline) sont sensibles au cisaillement des pompes centrifuges qui les abîmes. [0021] Enfin, leur mécanisme étant plongé dans la solution, il est peu accessible, de sorte qu'en cas de panne, il est nécessaire pour le réparer soit de le retirer du bassin, soit de plonger dans le bassin, au risque de polluer la solution algale. [0022] L'objectif de la présente invention est donc de proposer un système d'agitation et un bassin muni d'un tel système d'agitation, pour assurer l'agitation d'une solution de manière homogène, compatible avec la sensibilité des algues en suspension, pratique à entretenir et capable de maintenir une répartition homogène des dispositifs flottants, en particulier lorsque ceux-ci sont des dispositifs de capture de lumière conformes à ceux décrits dans la demande de brevet FR1801155. [0023] L'idée de l'invention consiste à utiliser le fait que des dispositifs flottants indé- pendants et libres soient présents à la surface du bassin, et de mouvoir directement des dispositifs et non la solution elle-même. [0024] L'invention est particulièrement adaptée (mais non exclusivement) aux solutions à la surface desquelles flottent des dispositifs de capture de lumière conformes à ceux décrits dans la demande de brevet FR1801155. [0025] À cette fin, l'invention a pour objet un système d'agitation d'une solution contenue dans un bassin muni d'une pluralité de dispositifs flottant librement à la surface de la solution, en position d'utilisation, le système d'agitation comprenant un châssis monté rotatif parallèlement au bassin par des moyens d'entraînement en rotation et comprenant au moins un bras parallèle à et à distance de la surface de la solution auquel est fixée une structure maillée, des dispositifs flottants étant destinés à être agencés dans des mailles de la structure maillées, en position d'utilisation. [0026] Selon d'autres modes de réalisation, qui peuvent être combinés entre eux : - la structure maillée peut être flottante ; - la structure maillée flottante peut être un filet souple muni de flotteurs ; - la structure maillée peut ne pas être flottante et comprendre des extrémités radiales fixées aux bras de manière tendue, de sorte que la structure maillée est maintenue en tension entre deux bras successifs au raz de la surface de la solution ; - la structure maillée non flottante maintenue en tension peut être un filet souple ; - chaque maille de la structure maillée peut être de dimension strictement supérieure à un diamètre maximal des dispositifs flottants, de préférence supérieur à deux fois le diamètre maximal des dispositifs flottants, de manière à permettre un mouvement aléatoire délimité d'un dispositif flottant compris dans une maille ; - le châssis peut comprendre un axe central et un cadre circulaire périphérique, ledit au moins un bras étant agencé radialement entre l'axe central et le cadre circulaire périphérique ; - le système d'agitation étant destiné à être utilisé avec un bassin comprenant un îlot central, les moyens d'entraînement en rotation peuvent comprendre un moteur d'entraînement central en rotation du châssis destiné à être fixé entre l'îlot central du bassin et l'axe central du châssis ; - le système d'agitation étant destiné à être utilisé avec un bassin comprenant un rebord périphérique, les moyens d'entraînement en rotation peuvent comprendre au moins un moteur d'entraînement périphérique en rotation du châssis, par exemple par friction ou par crémaillère, destiné à être fixé au rebord périphérique du bassin et en prise avec le cadre circulaire périphérique du châssis pour l'entraîner en rotation ; dans une forme de bassin de culture cylindrique, le cadre du carrousel circulaire peut être guidé en périphérie par un rail fixé sur le bord supérieur du bassin, ceci de manière à rigidifier l'ensemble du dispositif tout en assurant son mouvement circulaire ; - le cadre circulaire périphérique du châssis peut comprendre des galets de roulement destinés à rouler sur un rail de guidage circulaire fixé sur la périphérie supérieure du bassin pour maintenir le système en position d'utilisation ; - le bras du châssis peut comprendre au moins une canalisation rigide perpendiculaire au bras et à la surface de la solution, la canalisation présentant une longueur telle qu'une extrémité libre de la canalisation se trouve à proximité du fond du bassin, en position d'utilisation, la canalisation étant reliée de manière fluidique à une source de dioxyde de carbone, de préférence dilué, pour générer des bulles de dioxyde de carbone dans le fond de la solution ; - l'extrémité inférieure libre de la canalisation peut comporter un diffuseur apte à diriger latéralement les bulles de dioxyde de carbone parallèlement au fond du bassin, en position d'utilisation ; - le diffuseur peut comporter une membrane apte à générer de fines bulles de dioxyde de carbone ; et/ou - les canalisations peuvent être équipées de diffuseurs de bulles de dioxyde de carbone sur tout ou partie de leur hauteur, ceci de manière à augmenter la surface de diffusion du dioxyde de carbone. [0027] Ce qui importe c'est que les dispositifs flottants soient entraînés mécaniquement, niais qu'ils ne soient pas abîmés, dans leur structure ou leur fonctionnement par les doigts flexibles. [0028] L'invention permet ainsi d'adresser simultanément tous les problèmes précédents, notamment celui de l'agglutination des dispositifs flottant en surface, tout en assurant une agitation homogène et respectueuse de la solution algale avec un système qui peut être entretenu facilement. [0029] L'invention a également pour objet un bassin pour la production d'une solution algale comprenant une pluralité de dispositifs en flottage libre à la surface de la solution algale, le bassin comprenant au moins un système d'agitation précédent. [0030] Selon d'autres modes de réalisation, qui peuvent être combinés entre eux : - les dispositifs en flottage libre peuvent être des dispositifs de capture, de transport et de diffusion de lumière comprenant une manche cylindrique, en matériau transparent à la lumière transportée et diffusée, la manche étant destinée à être remplie d'un liquide propre à transmettre et diffuser la lumière et à équilibrer la pression extérieure pour maintenir la manche sous forme cylindrique, une cloche étanche, transparente à la lumière captée, transportée et diffusée, et formée par deux parois séparées par un interstice étanche rempli de gaz, la cloche comprenant une partie en dôme prolongée par une partie tubulaire, une première extrémité de la manche étant destinée à être bloquée contre la cloche de sorte qu'en position d'utilisation, la cloche flotte librement dans la solution et maintient au moins la partie en dôme émergée et la manche remplie de liquide immergée et étendue verticalement sous la cloche en adoptant une forme cylindrique ; et/ou - les dispositifs en flottage libre peuvent être des appareils de mesure, de préférence 6 équipés d'émetteurs sans fil. [0031] D'autres caractéristiques de l'invention seront énoncées dans la description détaillée ci-après, faite en référence aux dessins annexés, qui représentent, respectivement : [0032] [fig.1], une vue schématique en coupe d'un dispositif de capture, de transport et de diffusion de lumière du document FR1801155 en position d'utilisation dans un réservoir ; [0033] [fig.2], une vue schématique en plan vue de côté d'un exemple de réalisation d'un système d'agitation selon l'invention ; [0034] [fig.3], une vue schématique en perspective d'un exemple de réalisation de châssis d'un système d'agitation selon l'invention muni d'un cadre périphérique ; [0035] [fig.4], une vue schématique en coupe du système d'agitation de la figure 2 en position d'utilisation sur un bassin de culture algalc muni de dispositifs de capture, de transport et de diffusion de lumière du document FR1801155 ; [0036] [fig.5], une vue schématique vue de dessus de l'ensemble bassin/système d'agitation de la figure 4 ; [0037] [fig.6], une vue schématique vue de dessus d'une structure maillée flottante selon l'invention dans les mailles des laquelle sont insérées des dispositifs de capture, de transport et de diffusion de lumière du document FR1801155 en flottage libre ; [0038] [fig.7], une vue schématique en coupe d'un système d'agitation selon l'invention en position d'utilisation sur un bassin de culture algalc muni de dispositif de capture, de transport et de diffusion de lumière du document FR1801155, le système d'agitation comprenant également des canalisations d'alimentation en dioxyde de carbone ; et [0039] [fig.8], une vue schématique en coupe d'une extrémité libre d'une canalisation d'alimentation en dioxyde de carbone et munie d'un diffuseur apte à diriger latéralement les bulles de dioxyde de carbone parallèlement au fond du bassin. [0040] La description ci-après est faite pour une application utilisant des dispositifs de capture, de transport et de diffusion de lumière du document FR1801155, en flottage libre à la surface de la solution contenue dans le bassin. D'autres dispositifs en flottage libre peuvent être utilisés alternativement ou en combinaison. [0041] Les figures 2 et 4 illustrent un premier exemple de réalisation d'un système d'agitation 1 selon l'invention. Il comprend un châssis 10 monté rotatif parallèlement à la surface 21 de la solution 20 contenue dans le bassin 2 (voir figure 4) par des moyens d'entraînement en rotation 11 (typiquement un moteur muni d'un arbre de rotation en prise avec le châssis 10). [0042] Le châssis 10 comprend, sur la figure 2, deux bras 12 parallèles à la surface 21 de la solution, en position d'utilisation (figure 4). [0043] Une structure maillée flottante 13, constituée dans cet exemple par un filet 13a muni de flotteurs 13b, est fixée sur chaque bras 12 pour être entraînée mécaniquement en 7 rotation. [0044] Alternativement, la structure maillée n'est pas flottante, mais maintenue en tension entre deux bras voisins et au raz de la surface de la solution algale. [0045] À cette fin, la structure maillée comprend des extrémités radiales 13e (voir figures 5 et 6) fixées aux bras 12 de manière tendue, de sorte que la structure maillée est maintenue en tension au raz de la surface de la solution. [0046] Avantageusement, la structure maillée est un filet souple. [0047] Ainsi, la tension de la structure maillée maintient une géométrie régulière des mailles et permet un entraînement des dispositifs flottants situés dans les mailles. [0048] Selon un mode de réalisation préféré, chaque maille de la structure maillée 13 est de dimension strictement supérieure à un diamètre maximal Dl des dispositifs flottants 30. De préférence, chaque maille de la structure maillée est de dimension supérieure à deux fois le diamètre maximal Dl des dispositifs flottants. [0049] Puis on dispose dispositif 30 de capture, de transport et de diffusion de lumière en flottage libre dans plusieurs mailles du filet 13a, de préférence dans chaque maille, de sorte qu'ils sont en flottage libre dans la maille dans lequel ils se trouvent et qu'ils peuvent avoir chacun un mouvement aléatoire délimité par la maille. [0050] Cc système selon l'invention permet de maîtriser l'intensité de la circulation dans le bassin avec un moteur 11 de préférence à vitesse variable. [0051] Plus les dimensions des mailles sont proches du diamètre des dispositifs 30, moins les dispositifs 30 parcourent de distance, ce qui assure un frottement très régulier des manches entre elles et évite le développement de biofilm en surface externe. Cependant, les dimensions des maillent ne doivent pas être trop proches de celles des dispositifs 30 pour permettre la culture d'un volume suffisant d'algues au regard du volume total des dispositifs, et ainsi assurer une bonne productivité. [0052] Dans un mode de réalisation avantageux, la section des mailles de la structure maillée 13 est choisie avantageusement pour espacer les dispositifs 30 d'environ 80 à 100 millimètres. Compte tenu de leur semi-liberté de mouvement (liberté de mouvement limité par la maille), cet espace entre les dispositifs 30 variera en fonction de la position des bras 12 et de la structure maillée 13. [0053] Le nombre de bras 12 du châssis 10 dépend du nombre de dispositifs flottants à la surface du bassin. Plus ce dernier est important, plus le nombre de bras doit être important pour obtenir un entraînement suffisant des dispositifs avec les structures maillées 13, tout en limitant la puissance du moteur et les dimensions des bras. Autrement, il est peut-être nécessaire de réduire le nombre de dispositifs flottants entre deux bras successifs pour s'assurer que les bras 12, le moteur 11 et les structures maillées 13, flottantes ou en tension, soient en mesure d'avoir une action d'entraînement sans risquer d'abîmer les dispositifs flottants 30. 8 [0054] Un mode de réalisation préféré de châssis est illustré en figure 3. Ce mode de réa- lisation de châssis 40 particulièrement résistant comprend un axe central 41 et un cadre circulaire périphérique 42. L'axe central 41 et le cadre circulaire périphérique 42 sont reliés par des bras 43 agencés radialement. Deux bras consécutifs 43 sont avantageusement réalisés dans un même segment tubulaire plié, de préférence à 90°. Chaque extrémité 44 du segment tubulaire est fixée, de préférence par soudure, au cadre circulaire périphérique 42. La zone de pliure 45 est, elle, fixée à l'axe central 41. [0055] Ce mode de réalisation permet d'obtenir une grande rigidité du châssis et il est peu coûteux à fabriquer. [0056] Cette structure permet une grande polyvalence d'installation, ainsi qu'un entretien facilité. [0057] La périphérie de la couronne circulaire peut être guidée par un rail fixé en partie su- périeure du bassin. Dans ce cas l'entraînement de la couronne peut être assuré par friction ou par une crémaillère entraînée par un moteur. [0058] Ainsi, les moyens d'entraînement 11 du système d'agitation selon l'invention se trouvent à l'extérieur de la solution ce qui permet un entretien facile. [0059] La place des moyens d'entraînement 11 peut également être adaptée aux besoins et souhaits de l'utilisateur. [0060] Sur les figures 4, 5 et 6, le système d'agitation 1 selon l'invention est utilisé avec un bassin 2 comprenant un îlot central 22. Les moyens d'entraînement en rotation l icomprennent un moteur d'entraînement central en rotation du châssis destiné à être fixé entre l'îlot central du bassin et l'axe central du châssis. [0061] L'îlot central permet d'assurer un circuit de circulation des dispositifs flottants et donc une meilleure agitation de la solution. [0062] Alternativement ou en combinaison, dans des modes de réalisation non illustrés, le système peut comprendre des moyens d'entraînement en rotation positionnés sur le rebord périphérique 23 du bassin. Dans ce cas, les moyens d'entraînement comprennent au moins un moteur d'entraînement périphérique destiné à être fixé au rebord périphérique 23 du bassin 2 et à être en prise avec le cadre circulaire périphérique 40 du châssis pour l'entraîner en rotation, par exemple par friction ou crémaillère [0063] De préférence, comme le montrent les figures 5 et 6, la structure maillée 30 présente une forme complémentaire à l'espace situé entre deux bras successifs, de manière à pouvoir être fixée entre les deux bras 12. Ainsi, lors de la rotation, toute la surface de la solution est balayée par les dispositifs 30. [0064] La forme et la répartition des mailles sont avantageusement conçues pour que les dis- positifs flottants agencés dans chaque maille soient répartis de manière homogène dans l'espace situé entre deux bras 12 successifs et qu'ils puissent avoir un flottement aléatoire délimité par la maille. 9 [0065] Par exemple, les mailles du filet 13 dans les figures 5 et 6 sont agencées de telle sorte que les dispositifs 30 sont en quinconce dans le sens de rotation, ce qui assure une répartition optimale de l'éclairement ans la solution. [0066] La forme et la taille des mailles peuvent également être adaptées aux conditions d'utilisation. En d'autres termes, les mailles de la structure maillée 13 peuvent être de formes hétérogènes au sein d'une même structure maillée 13. Par exemple, comme illustré en figure 6, les mailles 13c situées au plus près de l'axe de rotation peuvent avoir une forme et une taille différentes des mailles 13d du reste de la structure maillée 13, afin de prendre en compte la dimension plus faible à cet endroit du fait de la convergence des bras, et donc de la structure maillée. [0067] Ainsi, par leur mouvement circulaire incessant, les dispositifs 30 homogénéisent le flux de la culture en supprimant les zones mortes et en diffusant la lumière de manière la plus homogène dans la culture. [0068] Il est possible de profiter de la structure et du fonctionnement du système d'agitation selon l'invention pour exécuter d'autres fonctions. [0069] Les figures 7 et 8 illustrent un mode de réalisation dans lequel le ou chaque bras 12a du châssis 10a comprend au moins une canalisation 14 rigide perpendiculaire au bras et à la surface de la solution. [0070] Cette ou ces canalisations 14 présentent une longueur L2 telle qu'une extrémité in- férieure libre de la canalisation se trouve à proximité du fond du bassin, en position d'utilisation, la ou chaque canalisation étant reliée de manière fluidique à une source de dioxyde de carbone pour générer des bulles de dioxyde de carbone dans le fond de la solution. [0071] De préférence, les bras 12a sont creux et en connexion fluidique avec les cana- lisations 14. Dans ce cas, la source de dioxyde de carbone arrive avantageusement à proximité de l'axe central du châssis et conduit le dioxyde de carbone à travers les bras 12a vers les canalisations 14, puis vers le fond du bassin. Avantageusement, on prévoit dans ce cas une vanne d'ouverture/fermeture à la naissance de chaque bras (c'est-à-dire à proximité de l'axe central), afin de pouvoir couper sélectivement l'alimentation en CO2 dilué et pouvoir effectuer la maintenance du système. [0072] De préférence, comme illustré en figure 8, l'extrémité libre 14a de la ou chaque cana- lisation 14 comporte un diffuseur 15 apte à diriger latéralement, dans le sens des flèches F2 et F3, les bulles de dioxyde de carbone parallèlement au fond du bassin ou tout ou partie le long de la conduite plongeante, en position d'utilisation. [0073] Favorablement, le diffuseur 15 comporte une membrane 16 apte à générer de fines bulles 17 de dioxyde de carbone. [0074] Ce mode de réalisation permet d'alimenter les algues de la solution en CO2, tout en agitant doucement, mais efficacement la solution, en limitant les risques pour les algues en suspension grâce au fait de mouvoir directement des dispositifs avec les structures maillées, et non la solution elle-même. 11