Brevet FR3101639A1 — publié le 20210409

DISPOSITIF POUR LA PRODUCTION DE BIOMASSE DE CULTURE CELLULAIRE DE MICROALGUES OU DE CYANOBACTÉRIES. L’invention concerne un dispositif pour la production de biomasse de culture cellulaire de microalgue ou de cyanobactérie, qui comporte : - une pluralité de photobioréacteurs comportant chacun une enceinte étanche translucide, - au moins un tuyau de circulation reliant les photobioréacteurs au moins deux à deux, l’au moins un tuyau de circulation étant configuré pour permettre la circulation d’un milieu de culture cellulaire entre tous les photobioréacteurs et - au moins un moyen de mise en circulation du milieu de culture cellulaire. L’invention concerne également un procédé de production de biomasse d’une culture cellulaire. Figure pour l’abrégé : figure 1 DISPOSITIF POUR LA PRODUCTION DE BIOMASSE DE CULTURE CELLULAIRE DE MICROALGUES OU DE CYANOBACTÉRIES. La présente invention vise un dispositif pour la production de biomasse de culture cellulaire de microalgues ou de cyanobactéries. La présente invention vise également un dispositif de filtration d’une culture cellulaire en vue d’obtenir de la biomasse concentrée. La présentation vise en outre un procédé de transformation d’une biomasse concentrée en vue d’obtenir une préparation alimentaire. La présente invention s’inscrit notamment dans le domaine de la production de microalgues pour la consommation alimentaire. La production de biomasse de culture cellulaire de microalgues ou de cyanobactéries se développe dans le monde pour répondre à une demande accrue de produits de cette culture qui trouvent des applications notamment dans les biocarburants, comme alternatives protéinées, comme pigments, comme antioxydants et dans des applications médicales et paramédicales. Le moyen de culture privilégié de la culture cellulaire de microalgues est une culture en bassin dit « champs de courses » (ou «  raceway ponds  », selon la dénomination en anglais). Ces bassins occupent une très grande surface au sol. De plus, ils ne peuvent fonctionner que si le climat est favorable. En outre, ils présentent une très grande surface de contact avec l’air ambiant, ce qui expose la culture cellulaire à des contaminations. La biomasse exposée à des contaminations tend ensuite à présenter une durée de conservation moindre et des propriétés nutritives appauvries. La surface d’exposition à l’air empêche également l’optimisation de l’apport en nutriments, qui sont trop facilement évaporés à cause de la faible profondeur d’eau. La culture en bassin limite également l’apport de CO 2 par bullage, car le temps laissé pour la diffusion dans l’eau est trop faible en raison de la faible profondeur d’eau. La biomasse produite à partir des cultures cellulaires de microalgues ou de cyanobactéries produit une croissance exponentielle appelée efflorescence (ou «  bloom  » en anglais) et doit être récoltée périodiquement. La méthode de filtration mise en œuvre actuellement pour récolter cette efflorescence est une filtration mécanique sur tamis horizontal. Elle consiste à filtrer le milieu de culture sur une maille suffisamment petite pour retenir la biomasse algale cultivée, et laisser passer à travers le filtre le milieu de culture et les autres microorganismes plus petits que l’espèce cultivée. Cette filtration se fait aujourd’hui sur tamis horizontal, et repose sur la gravité pour faire passer le milieu de culture d’un côté à l’autre du tamis. Cette méthode de filtration présente l’inconvénient de nécessiter une main d’œuvre importante, car la biomasse concentrée sur le tamis doit être récoltée périodiquement. Cette méthode de filtration pose également le problème d’une éventuelle contamination au contact de l’air et d’une variation non contrôlée du pH de la biomasse concentrée en raison du séchage partiel de la biomasse concentrée sur le filtre. Pour prévenir le développement bactérien sur la biomasse obtenue et assurer une durée de conservation satisfaisante, la biomasse est commercialisée sèche. Pour ce faire, la biomasse est pressée par pression mécanique ou par dépression à vide jusqu’à atteindre une activité de l’eau (souvent désignée par l’acronyme « Aw » de l’anglais « Activity of Water ») inférieure à 40 %. Ce mode de conservation stabilise le produit sur un plan microbiologique. Cependant, ce processus dégrade les caractéristiques nutritionnelles et organoleptiques de la biomasse et amoindrit ses caractéristiques antioxydantes. La biomasse peut être utilisée fraîche, à une Aw de l’ordre de 95 %. Elle garde alors des caractéristiques nutritionnelles et organoleptiques avantageuses, mais souffre d’une durée de conservation de deux à trois jours qui rend difficile la valorisation de la biomasse fraîche. La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients. À cet effet, selon un premier aspect, l’invention vise un dispositif pour la production de biomasse de culture cellulaire de microalgue, ou de cyanobactérie, qui comporte : - une pluralité de photobioréacteurs comportant chacun une enceinte étanche translucide, - au moins un tuyau de circulation reliant les photobioréacteurs au moins deux à deux, l’au moins un tuyau de circulation étant configuré pour permettre la circulation d’un milieu de culture cellulaire entre tous les photobioréacteurs et - au moins un moyen de mise en circulation du milieu de culture cellulaire. Grâce à ces dispositions, l’ensemble des photobioréacteur forment ensemble un volume de culture commun réparti dans une pluralité d’enceintes étanches. La culture cellulaire peut ainsi se déplacer de volume en volume et la concentration en cellules cultivées et en nutriments présents dans le milieu de culture peut s’homogénéiser. La circulation du milieu de culture d’un photobioréacteur au suivant se fait d’une part passivement sur le principe des vases communicants et d’autre part activement, entraînée par le moyen de mise en circulation du milieu de culture cellulaire, par exemple un brasseur à hélice, une pompe, ou un brasseur de type airlift. On entend par brasseur de type airlift un système de pompage par injection d’air comprimé à la base d’un tuyau vertical afin d’y entraîner le liquide s’y trouvant. L’émulsion d’eau et de gaz contenu dans le tuyau étant moins dense que l’eau autour du tuyau, la différence de pression hydrostatique en résultant provoque un mouvement ascensionnel de l’eau dans le tuyau. Le moyen de mise en circulation permet de créer activement une perturbation dans la circulation des fluides, en forçant la culture cellulaire à se déplacer entre photobioréacteurs. Par gravité et principe des vases communicants, la perturbation créée dans l’enceinte d’un photobioréacteur est reproduite au moins en partie dans l’enceinte des autres photobioréacteurs. Ces dispositions permettent d’homogénéiser le milieu de culture cellulaire et ainsi de considérer un ensemble homogène de photobioréacteurs plutôt que des volumes isolés, qui nécessiteraient chacun une intervention humaine pour le suivi et les récoltes. La charge de travail des opérateurs en matière de suivi et d’entretien du dispositif de culture cellulaire est ainsi réduite. La culture en photobioréacteurs permet une production accrue sur une même surface utile. À titre d’exemple, une pluralité de photobioréacteurs en forme de cylindre droit de cinquante centimètres de diamètre sur deux mètres de hauteur et régulièrement espacés de cinquante centimètres permet une augmentation de l’ordre de trois fois du volume utile et de l’ordre du tiers de l’exposition à la lumière par rapport à une culture sur une surface équivalente pour une culture de type raceway . Dans des modes de réalisations, les photobioréacteurs sont reliés deux à deux de proche en proche par des tuyaux de circulation et l’ensemble des photobioréacteurs reliés entre eux forment une boucle fermée et le moyen de circulation du milieu de culture cellulaire est configuré pour créer un flux orienté de circulation du milieu de culture d’un photobioréacteur vers le suivant. Grâce à ces dispositions, l’ensemble des volumes de culture cellulaire contenue dans l’ensemble des photobioréacteur sont connectés dans un circuit en boucle. Ainsi, toute la culture cellulaire est brassée de volume en volume en continu, créant ainsi un volume homogène. De plus, la circulation de la biomasse est ainsi homogène et régulière, puisque le moyen de circulation crée une circulation orientée de la culture cellulaire. À titre d’exemple, la circulation orientée est créée par une pluralité de brasseurs à hélices disposés sur des tuyaux de circulations et brassant la culture cellulaire dans le même sens de circulation. Ces dispositions permettent l’obtention d’une circulation orientée comparable à la circulation dans un système de type «  raceway  » favorisant l’homogénéité de la culture et garantissant une distribution égale à la fois de la lumière et des nutriments, tout en s’affranchissant des inconvénients précités d’une culture de type «  raceway  » telle que décrite dans l’art antérieur. En particulier, le dispositif de culture cellulaire permet de profiter des avantages du photobioréacteur, tels que la protection vis-à-vis des contaminations, la distribution de la lumière et des nutriments, et la productivité, tout en permettant son utilisation à échelle industrielle. On précise qu’un photobioréacteur est un système assurant la production de microorganismes photosynthétiques. Au sens de l’invention, un photobioréacteur comporte une enceinte étanche délimitant un volume configuré pour contenir une culture cellulaire en suspension. Ladite enceinte est translucide, c’est-à-dire qu’au moins une partie d’un rayonnement lumineux rayonnant sur un photobioréacteur est susceptible de rayonner à travers l’enceinte. Dans des modes de réalisation, le moyen de mise en circulation du milieu de culture cellulaire comporte au moins un brasseur à hélice positionné dans un tuyau de circulation ou à son extrémité. Grâce à ces dispositions, le moyen de circulation du milieu de culture cellulaire peut créer un flux orienté de circulation du milieu de culture d’un photobioréacteur vers le suivant. De plus, le brasseur à hélice permet un brassage moins susceptible de casser les cellules de la culture cellulaire, par rapport à d’autres moyens de mise en circulation, tel que les pompes. La mise en œuvre d’au moins un brasseur à hélice permet un brassage efficace du milieu de culture tout en préservant l’intégrité des cellules cultivées. Dans des modes de réalisation, au moins un photobioréacteur comporte au moins un bulleur configuré pour injecter un gaz dans le milieu de culture et agiter le milieu. Grâce à ces dispositions, le bulleur contribue au brassage et à l’homogénéisation du milieu. En outre, l’action du bulleur permet de prévenir l’apparition de zones sans agitation au sein des photobioréacteurs. Dans des modes de réalisation, le bulleur est contrôlé par une vanne. Grâce à ces dispositions, l’intensité du brassage par bullage de gaz peut être contrôlée et l’apport en gaz dans le milieu de culture peut être contrôlé. Dans des modes de réalisation, le gaz injecté par le bulleur est de l’air atmosphérique et le dispositif comporte un capteur de pH et la vanne est contrôlée en fonction d’une valeur de pH mesurée dans l’enceinte d’un photobioréacteur. Grâce à ces dispositions, le dioxyde de carbone contenu dans l’air atmosphérique contribue à maintenir le pH à un niveau stable. Ceci permet de contrôler la valeur de pH dans le milieu de culture en limitant l’apport ou sans apport de bicarbonate de soude. Le bicarbonate de soude utilisé dans les dispositifs de culture cellulaire de l’art antérieur pour contrôler la valeur de pH présente le désavantage d’augmenter progressivement la turbidité et la salinité du milieu de culture. Dans des modes de réalisation, le bulleur comporte une alimentation en gaz munie d’un clapet antiretour. Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte au moins un moyen de distribution de nutriments se déversant au goutte-à-goutte dans au moins un des photobioréacteurs. Grâce à ces dispositions, la croissance exponentielle des cellules cultivées est favorisée en n’apportant que les nutriments nécessaires à la croissance de l’espèce cultivée, ne laissant pas de nutriment en excès dans le milieu pour la croissance d’espèces concurrentes. Dans des modes de réalisation, le moyen de distribution de nutriments comporte une pompe péristaltique. Grâce à ces dispositions, l’apport au goutte-à-goutte au moyen d’une pompe type péristaltique permet un apport continu, adapté au rythme de croissance, avec une consommation énergétique minimale et des contraintes de débit et de pression limitées vis-à-vis du pompage. Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte une unique vanne de récolte du milieu de culture cellulaire, raccordée à l’un des photobioréacteurs. Grâce à ces dispositions, la récolte de culture cellulaire est facilitée, car elle se fait en un unique point de collecte. Dans des modes de réalisation, au moins un photobioréacteur repose sur un socle comportant une matière isolante thermiquement ou au moins un photobioréacteur est surmonté par une coiffe comportant une matière isolante thermiquement. Grâce à ces dispositions, les variations de température sont moindres dans le milieu de culture cellulaire de sorte à offrir de meilleures conditions de culture cellulaire. Dans des modes de réalisation, l’enceinte étanche d’au moins un photobioréacteur comporte une poche supportée par une armature rigide. Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un procédé de production de biomasse d’une culture cellulaire de cyanobactéries ou de microalgues, au moyen d’une pluralité de photobioréacteurs reliés entre eux par des tuyaux de circulation de culture cellulaire, qui comporte les étapes suivantes : - une introduction d’un inoculum de culture cellulaire dans au moins un photobioréacteur, - une alimentation en milieu de culture cellulaire dans au moins un photobioréacteur, - une mise en circulation du milieu de culture cellulaire entre les photobioréacteurs, et - une collecte de culture cellulaire dans au moins un photobioréacteur. Les buts, avantages et caractéristiques particulières du procédé objet de la présente invention étant similaires à ceux du dispositif objet de la présente invention, ils ne sont pas rappelés ici. Dans des modes de réalisation, l’inoculum de culture cellulaire est choisi parmi le groupe constitué des classes Cyanophyceae, telles que Arthrospira platensis, Arthrospira maxima, Arthrospira fusiformis, Trichodesmium erythraeum ou Aphanizomenon flosaquae , Phormidium terebriforme et Trebouxiophyceae tel que Chlorella vulgaris . D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier du dispositif et du procédé objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels : représente, schématiquement, un premier mode de réalisation particulier du dispositif pour la production de biomasse de culture cellulaire objet de la présente invention, représente, schématiquement, le circuit de circulation de milieu de culture d’un deuxième de mode de réalisation particulier du dispositif pour la production de biomasse de culture cellulaire objet de la présente invention, représente, schématiquement, le réseau de distribution de nutriment du deuxième de mode de réalisation particulier du dispositif pour la production de biomasse de culture cellulaire objet de la présente invention, représente, schématiquement, trois photobioréacteurs du deuxième mode de réalisation particulier du dispositif pour la production de biomasse de culture cellulaire objet de la présente invention, des flèches illustrant l’agitation et la circulation au sein des photobioréacteurs figurent également sur ce schéma, représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, une succession d’étapes particulière du procédé de production de biomasse d’une culture cellulaire, objet de la présente invention, représente, schématiquement, un mode de réalisation particulier d’un dispositif de filtration d’une culture cellulaire en vue d’obtenir de la biomasse concentrée, objet de la présente invention, représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, une succession d’étapes particulières du procédé de filtration d’une culture cellulaire en vue d’obtenir de la biomasse concentrée objet de la présente invention, représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, une succession d’étapes particulières du procédé de transformation de la biomasse, en vue d’obtenir une préparation alimentaire, représente, schématiquement, un mode de réalisation particulier d’une centrifugeuse d’essorage, représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, une succession d’étapes particulières du procédé global incluant le procédé pour la production de biomasse de culture cellulaire, suivi du procédé de filtration de la culture cellulaire, suivie du procédé de transformation de la biomasse filtrée, en vue d’obtenir une préparation alimentaire, représente, schématiquement, un mode de réalisation un mode de réalisation particulier d’une installation comportant un dispositif pour la production de biomasse de culture cellulaire, un dispositif de filtration d’une culture cellulaire en vue d’obtenir de la biomasse concentrée, une centrifugeuse d’essorage de la biomasse concentrée, une cellule de refroidissement et une chambre froide, et représente, sous forme de graphique, l’évolution de la valeur de pH mesurée dans un photobioréacteur objet de l’invention et l’évolution de la valeur de pH mesurée dans un dispositif de culture de biomasse cellulaire de l’art antérieur. Dispositif (20, 30) pour la production de biomasse de culture cellulaire de microalgue, ou de cyanobactérie, caractérisé en ce qu’il comporte : - une pluralité de photobioréacteurs (210, 220, 230, 310a, 320a, 310b, 310c, 320b, 310d, 310e, 330) comportant chacun une enceinte étanche translucide, - au moins un tuyau de circulation (222, 227, 322, 327) reliant les photobioréacteurs au moins deux à deux, l’au moins un tuyau de circulation étant configuré pour permettre la circulation d’un milieu de culture cellulaire (201) entre tous les photobioréacteurs et - au moins un moyen de mise en circulation du milieu de culture cellulaire. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le moyen de mise en circulation du milieu de culture cellulaire comporte au moins un brasseur à hélice (225, 325) positionné dans un tuyau de circulation ou à son extrémité. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 2, dans lequel au moins un photobioréacteur comporte au moins un bulleur configuré pour injecter un gaz dans le milieu de culture et agiter le milieu. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le bulleur comporte un filtre, de sorte que le gaz introduit dans le milieu de culture est un gaz filtré. Dispositif selon l’une des revendications 3 à 4, dans lequel l’alimentation en gaz du bulleur est contrôlée par une vanne. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 5, qui comporte au moins un moyen de distribution de nutriments au goutte-à-goutte dans au moins un des photobioréacteurs. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 6, qui comporte une unique vanne (246) de récolte du milieu de culture raccordée à l’un des photobioréacteurs. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel au moins un photobioréacteur repose sur un socle (243) comportant une matière isolante thermiquement ou dans lequel au moins un photobioréacteur est surmonté par une coiffe comportant une matière isolante thermiquement. Procédé (40) de production de biomasse d’une culture cellulaire de cyanobactéries ou de microalgues, au moyen d’une pluralité de photobioréacteurs reliés entre eux par des tuyaux de circulation de culture cellulaire, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes : - une introduction (405) d’un inoculum de culture cellulaire dans au moins un photobioréacteur, - une alimentation (410) en milieu de culture cellulaire dans au moins un photobioréacteur, - une mise en circulation (415) du milieu de culture cellulaire entre les photobioréacteurs, et - une collecte (420) de culture cellulaire dans au moins un photobioréacteur. Procédé de production de biomasse selon la revendication 9, dans lequel l’inoculum de culture cellulaire est choisi parmi le groupe constitué des classes Cyanophyceae, telles que Arthrospira platensis, Arthrospira maxima, Arthrospira fusiformis, Trichodesmium erythraeum ou Aphanizomenon flosaquae , Phormidium terebriforme et Trebouxiophyceae tel que Chlorella vulgaris .