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WO2009087567A2 - Photobioréacteur pour la culture de microorganismes photosynthétiques - Google Patents

Photobioréacteur pour la culture de microorganismes photosynthétiques Download PDF

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Publication number
WO2009087567A2
WO2009087567A2 PCT/IB2009/000034 IB2009000034W WO2009087567A2 WO 2009087567 A2 WO2009087567 A2 WO 2009087567A2 IB 2009000034 W IB2009000034 W IB 2009000034W WO 2009087567 A2 WO2009087567 A2 WO 2009087567A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
enclosure
photobioreactor according
gas
photobioreactor
liquid
Prior art date
Application number
PCT/IB2009/000034
Other languages
English (en)
Other versions
WO2009087567A3 (fr
Inventor
Salvatore Arghiro
Original Assignee
Algues Energy Systems Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Algues Energy Systems Ag filed Critical Algues Energy Systems Ag
Publication of WO2009087567A2 publication Critical patent/WO2009087567A2/fr
Publication of WO2009087567A3 publication Critical patent/WO2009087567A3/fr

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/34—Internal compartments or partitions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02—Photobioreactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/02—Form or structure of the vessel
    • C12M23/04—Flat or tray type, drawers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/26—Constructional details, e.g. recesses, hinges flexible

Definitions

  • the present invention relates to a photobioreactor for the culture of photosynthetic microorganisms, in particular microalgae.
  • a known photobioreactor comprises an enclosure containing photosynthetic microorganisms and a nourishing medium.
  • the microorganisms are in contact with the nourishing medium and are exposed to solar radiation.
  • microalgae especially unicellular algae of the plankton (phytoplankton) type, which are likely to be carried by freshwater or saltwater currents, are capable of converting carbon dioxide (CO 2 ) into biomass and oxygen (O 2 ) using solar radiation as a source of energy and water (H 2 O), carbon dioxide (CO 2 ) and sources of nitrogen (N), sulfur (S) and phosphorus (P) as a source of matter (photosynthesis process).
  • CO 2 carbon dioxide
  • O 2 oxygen
  • N nitrogen
  • S sulfur
  • P phosphorus
  • microalgae aquaculture
  • microalgae are cultivated in natural ponds or artificial basins built in the open air, for example culture basins and oxidation tanks for the treatment of wastewater.
  • aquacultures for microalgae culture there is a risk of contamination of the microalgae population by invading microorganisms, including bacteria, which may to unbalance or even destroy this population of microalgae in such an open photobioreactor.
  • closed aquaculture can be used with a hermetic barrier to protect microalgae from microorganisms in the atmosphere that could affect the microalgae population.
  • constructions of this type are quite expensive, especially when trying to achieve photobioreactor structures covering areas of several tens of square meters, which is indispensable from a profitability point of view.
  • construction costs of such structures are very high and make it uneconomic to produce large-scale crops.
  • the subject of the invention is a photobioreactor for the cultivation of photosynthetic microorganisms (phytoplankton), in particular microalgae, comprising an enclosure containing photosynthetic microorganisms and a nourishing medium, said microorganisms being in contact with said nourishing medium and exposed to solar radiation.
  • photosynthetic microorganisms in particular microalgae
  • said enclosure consists of a flexible structure supported by the pressure of a gas contained within said enclosure.
  • the invention makes it possible to suppress a phytoplankton invasion (population of photosynthetic microorganisms) by predacious zooplankton (non-photosynthetic microorganisms, for example bacteria), thus avoiding a proliferation of zooplankton at the expense of the phytoplankton populations. Stable populations of phytoplankton / microalgae are thus obtained.
  • the invention allows an efficient enrichment of the nourishing medium carbon dioxide, essential for good productivity of phytoplankton / microalgae biomass.
  • this biomass is “harvested” continuously by ensuring that the concentration of the microorganism population remains substantially constant.
  • this "harvest” of biomass can also be performed almost continuously, that is to say with samples of a certain quantity / portion of biomass at predetermined intervals and sufficiently short to avoid too large a difference between the instantaneous microorganism concentration and the desired concentration for optimal yield.
  • the invention allows an effective control and control of the temperature of the nourishing medium, thus photosynthetic microorganisms, essential for a good yield of the photosynthetic process.
  • the nourishing medium comprises a nourishing solution in which said photosynthetic microorganisms are suspended.
  • the solution is shallow in order to allow all the microorganisms, especially those in the deepest layers of the nourishing solution, to be exposed to the sun's rays.
  • the enclosure is partially filled with a volume of liquid and partially filled with a volume of gas above said liquid, so that the pressure of said liquid supports a lower part and the pressure of said gas carries an upper part. of said enclosure.
  • This also allows the support / swelling of the flexible enclosure, but because of the high density of the liquid with respect to the density of the gas, with the additional advantage of a lower center of gravity, thus more stability at bad weather, including storms.
  • a lower part of the enclosure consists of a rigid structure while an upper part of the enclosure consists of a flexible structure.
  • the lower part of the enclosure is filled with a liquid while the upper part of the enclosure is filled with a gas.
  • the bottom and rigid the speaker is heavier than the top and flexible speaker. The result is an even lower center of gravity, so even more stability and storm resistance.
  • the aforementioned liquid consists of the aforementioned suspension of microorganisms in a nourishing solution.
  • the nourishing medium contributes not only to the supply of microorganisms food (N, P, S elements), but also to the stability of the structure of the enclosure.
  • the aforementioned gas comprises carbon dioxide.
  • the gas contributes not only to the supply of microorganisms food (CO 2 ), but also to the stability of the structure of the enclosure.
  • CO 2 microorganisms food
  • compressed air and / or enriched with carbon dioxide is used.
  • the enclosure comprises at least one gas opening through which a gas can be introduced into said enclosure or withdrawn from it.
  • the enclosure may comprise at least one liquid opening through which a liquid can be introduced into said enclosure or withdrawn from it.
  • this gas opening and / or liquid opening is controllable. This allows the control of the flow rates of the photobioreactor according to the invention.
  • the photobioreactor comprises a movement device for the liquid inside the enclosure.
  • the photobioreactor comprises a movement device for the gas inside said enclosure.
  • These movement devices make it possible to stir and / or propel respectively the aforementioned liquid and gas.
  • agitation of the nourishing medium in the form of a liquid makes it possible, on the one hand, to homogenize the temperature and concentrations of nourishing substances in the enclosure and, on the other hand, to accelerate the exchanges of nourishing substances between the microorganisms and the body. nourishing liquid.
  • the enclosure comprises a basin in the form of a closed circuit in which the nourishing medium (liquid) and / or the gas is circulated.
  • the closed circuit is composed of a plurality of enclosure sections installed in series.
  • these enclosure sections are connected and communicated at their ends by a connection unit between two adjacent sections.
  • the aforementioned basin comprises two substantially parallel channels or even a plurality of substantially parallel channels and in communication at their ends.
  • the liquid movement device is arranged in a connection unit where two adjacent channels are in communication.
  • the gas movement device can be arranged in a connection unit where two adjacent channels or sections are in communication. This further increases the modular character of the photobioreactor according to the invention.
  • the aforementioned enclosure sections consist of said flexible structure supported by the pressure of a gas contained within said enclosure.
  • This variant makes it possible to obtain a self-supporting enclosure structure without any additional element of support (rods) or suspension (rods and / or cables).
  • the aforementioned sections are made of polymer material.
  • the sections are formed by polymeric sheets connected and stretched between two connection units. This voltage of the sections through their connection to the connection units contributes to the stability of the self-supporting enclosure structure.
  • connection unit comprises one or more sensors selected from the following sensor types: temperature sensor, pressure sensor, pH sensor, photometer.
  • Fig. 1 is a top view (schematic plan) of an exemplary embodiment of the photobioreactor according to the invention
  • Fig. 2 is a longitudinal sectional view along the line A-A in FIG. 1;
  • Fig. 3 is a view in more detail and also in longitudinal section along the line A-A in Ia Rg. 1;
  • Fig. 4 is a cross-sectional view along line B-B in FIG. 1;
  • Fig. 5 is a cross-sectional view along line C-C in FIG. 1;
  • Fig. 6 is a view in more detail and also in cross-section along line C-C in FIG. 5.
  • a structure forms two parallel channels of transparent material and contains a suspension containing a culture of microalgae and a nutrient solution (culture liquid e), arranged to be exposed to the sun's rays and at the same time kept out of direct contact with the air, so as to achieve a confined or relegated environment, which allows to pressurize the interior and to regulate air exchanges with the outside only through controllable special openings.
  • An upper cover b closes hermetically and isolate the structure a.
  • a space s2 formed between the structure a and the upper cover b is provided with an opening valve for the control of pressure and ventilation.
  • a ventilation pipe d is united with the structure a, which allows the entry of pressurized gas into a space if in the channel and above a culture liquid e.
  • a ventilation pipe c2 supplies air to the space s2 delimited by the roof or upper fabric b, thus producing a counter-current air flow with thermal regulation function for the space si.
  • a feed gas composed of a mixture of air + carbon dioxide under pressure is supplied to the space si.
  • Two vane mixers 2a and 2b for the displacement of the culture liquid e are installed at the ends of the channels. Each of the two mixers is driven by a motor 6.
  • a rigid support base 1 is provided and constitutes a support for the aforementioned elements forming the channels and enclosed in the latter.
  • a fan 4 is provided beyond the end 3a to generate a pressure in the space si.
  • a fan 4 1 is provided beyond the end 3b to generate a pressure in the space s2.
  • Valves v1 and v2 are provided to adjust or limit the internal pressure in the spaces si and s2.
  • a pump 7 is provided to fill the channels with liquid by a valve 8 and for harvesting microalgae by a valve 9.
  • Tie rods are provided to stabilize the structures / ends 3a ⁇ t 3b.
  • Tie rods are provided to stabilize the structures / ends 3a ⁇ t 3b.
  • the figures show, inside the two parallel channels, a shallow liquid phase arranged so that it is illuminated superiorly by the solar rays and swirled by the two mixers 2a and 2b which provide the connection between the two parallel channels.
  • a wall f it also made of transparent material, for example the same material as for the structure a.
  • the characteristic shape, observable in section, is obtained by the simultaneous action of the weight of the mass of the culture liquid e on the one hand and the effect of the internal pressure in the space if generated by the fan 4.
  • the upper cover b anchored at both ends 3a and 3b by profiles (which are not shown in the figures) constitutes the second cover with thermal adjustment function.
  • the air pressure in the space s2 generated by the fan 4 1 supports the upper cover b. This pressure is less than the air pressure in the space if generated by the fan 4.
  • the regulation or limitation of the internal pressures in the spaces si and s2 is possible by means of the valves v1 and v2 calibrated to open at a requested or predetermined pressure.
  • the present invention makes possible the elimination of all intermediate support structures, allowing considerable constructive economy.
  • the photobioreactor of the present invention uses a base 1 perfectly flat and leveled.
  • the filling of the channels is carried out by means of the pump 7 and the valve 8, while the harvest takes place by the opening of the valve 9.
  • the mixers 2a and 2b are actuated by the electric motors 6 rotating at a sufficient number of revolutions to induce a turbulent movement in the culture liquid.
  • the structures 3a and 3b have solid or solid vertical parts which define on the two ends the space s2, while the tie rods t serve to reinforce the structure.
  • the gas mixture air + carbon dioxide d, pressurized by the fan 4, is introduced through the ventilation pipe d into the space if above the suspension of microalgae e.
  • the difference in partial pressure pCU2 and p ⁇ 2 between the culture medium e (liquid phase) and the gaseous phase gas mixture allows the mutual exchange between the liquid phase and the gaseous phase.
  • the speed of movement of the gas must be slow enough to allow the best exchange of the two gases.
  • the ventilation pushes the gas, now exhausted, that is to say, low in CO 2 and rich in O 2 , to expel it outwards through the valve v2, when this one opens, in order to stabilize the internal pressure.
  • Mixers 2a and 2b are responsible for stirring the microalgae suspension so as to optimize exposure to light during the day and avoid sedimentation during the night.
  • the photobioreactor according to the present invention can also be used, beyond the production of microalgae, for cultures of other photosynthetic microorganisms for the fixation of CO 2 and the production of biomass.
  • the important characteristics for the industrial application of the photobioreactor of the present invention are the following: a) parallel horizontal flow channels which contain the culture liquid and which can be illuminated by the sun's rays, isolated from the outside air by a surface (cover) made of transparent and flexible material, b) a second surface (cover) also made of transparent and flexible material, to create a transparent tunnel over the underlying channels, c) the channels and the tunnel assuming their shape because of the internal pressure, d) mixers inside the channels and intended to stir with their wheels (blades and / or blades) the culture liquid,
  • the channels and the tunnel hermetically closed and provided with mechanisms of unloading of air, allowing an adjustment and / or an adjustment and / or a limitation of their internal pressures, f) the gaseous spaces above the liquid phase undergoing pressurization by a gas mixture comprising a variable part of CO 2 (air enriched with CO 2) and with nutritive function, g) the parallel channels that are placed in communication at their ends to create a continuity (closed circuit for the nutrient liquid),
  • the present invention allows the creation of low-cost modular installations, based on a covered "raceway" system that uses CO2 or agricultural or urban waste rich in nitrogen and phosphorus and which allows temperature stability and vigorous growth of biomass while minimizing external emissions.

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Abstract

L'invention concerne un photobioréacteur pour la culture de microorganismes photosynthétiques, notamment de microalgues, comprenant une enceinte renfermant des microorganismes photosynthétiques et un milieu nourrissant, lesdits microorganismes se trouvant en contact avec ledit milieu nourrissant et exposés au rayonnement solaire. Selon l'invention, au moins une partie de ladite enceinte est constituée d'une structure flexible supportée par la pression d'un gaz renfermé à l'intérieur de ladite enceinte.

Description

Photobioréacteur pour la culture de microorganismes photosynthétiques
Domaine de l'invention
La présente invention concerne un photobioréacteur pour la culture de microorganismes photosynthétiques, notamment de microalgues.
Un photobioréacteur connu comprend une enceinte renfermant des microorganismes photosynthétiques et un milieu nourrissant. Les microorganismes se trouvent en contact avec le milieu nourrissant et sont exposés au rayonnement solaire.
Etat de la technique
On sait que les microalgues, notamment les algues unicellulaires du type plancton (phytoplancton) susceptibles d'être entraînées par des courants d'eau douce ou salée, sont capables de convertir le dioxyde de carbone (CO2) en biomasse et en oxygène (O2) en utilisant le rayonnement solaire comme source d'énergie et de l'eau (H2O), du dioxyde de carbone (CO2) ainsi que des sources d'azote (N), de soufre (S) et de phosphore (P) comme source de matière (processus de photosynthèse). Au niveau cellulaire, on observe ainsi une augmentation du nombre de microalgues unicellulaires.
On utilise ce processus pour cultiver des microalgues (aquaculture). En général, les microalgues sont cultivées dans des étangs naturels ou en bassins artificiels construits en plein air, comme par exemple les bassins de culture et les bassins d'oxydation pour le traitement des eaux usées. Cependant, dans des aquacultures "ouvertes" pour la culture de microalgues, on risque une contamination de la population des microalgues par des microorganismes envahisseurs, notamment des bactéries, qui peuvent déséquilibrer, voire même détruire cette population de microalgues dans un tel photobioréacteur ouvert.
Pour remédier a ce problème, on peut recourir à une aquaculture fermée, pourvue d'une barrière hermétique destinée à protéger les microalgues de microorganismes dans l'atmosphère qui pourraient porter atteinte à la population de microalgues.
Malheureusement, les constructions de ce type sont assez onéreuses, notamment lorsqu' on essaie de réaliser des structures de photobioréacteur couvrant des superficies de plusieurs dizaines de mètres carrés, ce qui est indispensable d'un point de vue de rentabilité. Notamment, les coûts de construction de telles structures sont très élevés et rendent anti-économique la réalisation de cultures de dimensions vastes.
Description de l'invention
L'invention a pour objet un photobioréacteur pour la culture de microorganismes photosynthétiques (phytoplancton), notamment de microalgues, comprenant une enceinte renfermant des microorganismes photosynthétiques et un milieu nourrissant, lesdits microorganismes se trouvant en contact avec ledit milieu nourrissant et exposés au rayonnement solaire. Selon l'invention, au moins une partie de ladite enceinte est constituée d'une structure flexible supportée par la pression d'un gaz renfermé à l'intérieur de ladite enceinte.
De cette manière, l'invention permet de supprimer un envahissement du phytoplancton (population de microorganismes photosynthétiques) par du zooplancton prédateur (microorganismes non-photosynthétiques, par exemple des bactéries), évitant ainsi une prolifération de zooplancton aux dépens des populations de phytoplancton. On obtient donc des populations stables de phytoplancton / microalgues.
Puis, l'invention permet un enrichissement efficace du milieu nourrissant en dioxyde de carbone, indispensable pour une bonne productivité de biomasse à base de phytoplancton / microalgues. De préférence, cette biomasse est "récoltée" en continu en veillant à ce que la concentration de la population de microorganismes reste sensiblement constante. Bien sûr, cette "récolte" de biomasse peut également s'effectuer de manière quasi-continue, c'est-à-dire avec des prélèvements d'une certaine quantité / portion de biomasse à des intervalles prédéterminés et suffisamment courts afin d'éviter des écarts trop importants entre la concentration instantanée en microorganismes et la concentration désirée pour un rendement optimal.
Ensuite, l'invention permet un contrôle et une commande efficace de la température du milieu nourrissant, donc des microorganismes photosynthétiques, indispensable pour un bon rendement du processus photosynthétique.
Selon l'invention, ces avantages sont obtenus parce qu'au moins une partie de ladite enceinte est constituée d'une structure flexible supportée par la pression d'un gaz renfermé à l'intérieur de ladite enceinte. Cela permet la construction d'un photobioréacteur à des coûts suffisamment bas pour rendre économique la réalisation de cultures de dimensions vastes.
De préférence, le milieu nourrissant comprend une solution nourrissante dans laquelle lesdits microorganismes photosynthétiques sont suspendus. Avantageusement, la solution est peu profonde afin de permettre que la totalité des microorganismes, notamment ceux dans les couches les plus profondes de la solution nourrissante, sont exposés aux rayons solaires.
De préférence, l'enceinte est partiellement remplie d'un volume de liquide et partiellement remplie d'un volume de gaz au-dessus dudit liquide, de sorte que la pression dudit liquide supporte une partie inférieure et Ia pression dudit gaz supporte une partie supérieure de ladite enceinte. Cela permet également le support / gonflement de l'enceinte flexible, mais, du fait de la densité élevée du liquide par rapport à la densité du gaz, avec l'avantage supplémentaire d'un centre de gravité plus bas, donc plus de stabilité aux intempéries, notamment les tempêtes.
En variante, une partie inférieure de l'enceinte est constituée d'une structure rigide tandis qu'une partie supérieure de l'enceinte est constituée d'une structure flexible. Notamment, la partie inférieure de l'enceinte est remplie d'un liquide tandis que la partie supérieure de l'enceinte est remplie d'un gaz. Typiquement, la partie inférieure et rigide de l'enceinte est plus lourde que la partie supérieure et flexible de l'enceinte. Il en résulte un centre de gravité encore plus bas, donc encore plus de stabilité et de résistance aux tempêtes.
Dans une variante encore plus avantageuse, le liquide susmentionné est constitué de la suspension susmentionnée de microorganismes dans une solution nourrissante. Ainsi, le milieu nourrissant contribue non seulement à l'approvisionnement des microorganismes en nourriture (éléments N, P, S), mais aussi à la stabilité de la structure de l'enceinte.
Dans une autre variante encore plus avantageuse, le gaz susmentionné comprend du dioxyde de carbone. Ainsi, le gaz contribue non seulement à l'approvisionnement des microorganismes en nourriture (CO2), mais aussi à Ia stabilité de la structure de l'enceinte. De préférence, on utilise de l'air comprimé et/ou enrichi en dioxyde de carbone.
De préférence, l'enceinte comprend au moins une ouverture de gaz par laquelle un gaz peut être introduit dans ladite enceinte ou retiré de cette-dernière. De même, l'enceinte peut comprendre au moins une ouverture de liquide par laquelle un liquide peut être introduit dans ladite enceinte ou retiré de cette-dernière. De préférence, cette ouverture de gaz et/ou cette ouverture de liquide est contrôlable. Cela permet la commande des débits du photobioréacteur selon l'invention.
Dans une autre variante particulièrement avantageuse, le photobioréacteur comprend un dispositif de mouvement pour le liquide à l'intérieur de l'enceinte. De même, le photobioréacteur comprend un dispositif de mouvement pour le gaz à l'intérieur de ladite enceinte. Ces dispositifs de mouvement permettent d'agiter et/ou de propulser respectivement le liquide et le gaz susmentionnés. En particulier, l'agitation du milieu nourrissant sous forme de liquide permet d'une part une homogénéisation de la température et des concentrations de substances nourrissantes dans l'enceinte et d'autre part une accélération des échanges de substances nourrissantes entre les microorganismes et le liquide nourrissant. Cela permet d'augmenter la vitesse de Ia photosynthèse dans le photobioréacteur. De préférence, l'enceinte comprend un bassin en forme de circuit fermé dans lequel on fait circuler le milieu nourrissant (liquide) et/ou Ie gaz.
Dans une autre variante particulièrement avantageuse, le circuit fermé est composé d'une pluralité de tronçons d'enceinte installés en série. De préférence, ces tronçons d'enceinte sont raccordés et mis en communication à leurs extrémités par une unité de raccordement entre deux tronçons adjacents. Ainsi, il est possible de construir de vastes structures d'une manière modulaire.
Dans une version compacte et attractive, le bassin susmentionné comprend deux canaux sensiblement parallèles ou même une pluralité de canaux sensiblement parallèles et en communication à leurs extrémités.
De préférence, le dispositif de mouvement de liquide est agencé dans une unité de raccordement où deux canaux adjacents se trouvent en communication. De même, le dispositif de mouvement de gaz peut être agencé dans une unité de raccordement où deux canaux ou tronçons adjacents se trouvent en communication. Cela augmente encore le caractère modulaire du photobioréacteur selon l'invention.
Dans une autre variante particulièrement avantageuse, les tronçons susmentionnés d'enceinte sont constitués de ladite structure flexible supportée par la pression d'un gaz renfermé à l'intérieur de ladite enceinte. Cette variante permet d'obtenir une structure d'enceinte autoportante sans aucun élément supplémentaire de support (tiges) ou de suspension (tiges et/ou câbles).
De préférence, les tronçons susmentionnés sont constitués en matériau polymère. Avantageusement, les tronçons sont formés par des feuilles polymériques raccordées et tendues entre deux unités de raccordement. Cette tension des tronçons grâce à leur raccordement aux unités de raccordement contribue à la stabilité de la structure d'enceinte autoportante.
Dans une variante particulièrement avantageuse pour un processus commandé dans le photobioréacteur selon l'invention, au moins un capteur est agencé dans l'unité de raccordement. De préférence, l'unité de raccordement comprend un ou plusieurs capteurs sélectionnés à partir des types de capteurs suivants: capteur de température, capteur de pression, capteur de valeur pH, photomètre.
Brève description des dessins
L'invention sera bien comprise par la description ci-après d'un exemple de réalisation de l'invention, donné à titre nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels:
Fig. 1 est une vue de dessus (plan schématique) d'un exemple de réalisation du photobioréacteur selon l'invention;
Fig. 2 est une vue en coupe longitudinale selon la ligne A-A dans la Fig. 1 ;
Fig. 3 est une vue plus en détail et aussi en coupe longitudinale selon la ligne A-A dans Ia Rg. 1 ;
Fig. 4 est une vue en coupe transversale selon la ligne B-B dans la Fig. 1 ; Fig. 5 est une vue en coupe transversale selon la ligne C-C dans la Fig. 1 ; et
Fig. 6 est une vue plus en détail et aussi en coupe transversale selon la ligne C-C dans la Fig. 5.
Les figures illustrent schématiquement les parties essentielles ainsi que des détails d'un exemple de réalisation de la présente invention:
Une structure a forme deux canaux parallèles en matériau transparent et renferme une suspension contenant une culture de microalgues et une solution nutritive (liquide de culture e), disposée de façon à être exposée aux rayons solaires et en même temps tenue en dehors du contact direct avec l'air, de façon à réaliser un milieu confiné ou relégué, ce qui permet de pressuriser l'intérieur et de régler les échanges d'air avec l'extérieur seulement à travers des ouvertures spéciales contrôlables. Une couverture supérieure b vient fermer hermétiquement et isoler la structure a. Un espace s2 formé entre la structure a et la couverture supérieure b est pourvu d'une valve d'ouverture pour le contrôle de la pression et de la ventilation.
Un tuyau de ventilation d est uni avec la structure a, ce qui permet l'entrée de gaz pressurisé dans un espace si dans le canal et au-dessus d'un liquide de culture e.
Un tuyau d'aération c2 fournit de l'air à l'espace s2 délimité par la couverture ou toile supérieure b, réalisant ainsi un flux d'air en contre-courant avec fonction de régulation thermique pour l'espace si .
Un gaz d nourrissant, composé par un mélange air + dioxyde de carbone sous pression est fourni à l'espace si .
Deux mélangeurs à aubes 2a et 2b pour le déplacement du liquide de culture e sont installés aux extrémités des canaux. Chacun des deux mélangeurs est entraîné par un moteur 6.
Une base d'appui rigide 1 est prévue et constitue un support pour les éléments susmentionnés formant les canaux et renfermés dans ces-derniers.
Deux supports terminaux aux extrémités des canaux 3a et 3b sont prévus.
Un ventilateur 4 est prévu au-delà de l'extrémité 3a pour générer une pression dans l'espace si .
Un ventilateur 41 est prévu au-delà de l'extrémité 3b pour générer une pression dans l'espace s2.
Des valves v1 et v2 sont prévues pour régler ou limiter la pression interne dans les espaces si et s2.
Une pompe 7 est prévue pour remplir les canaux avec du liquide par une valve 8 et pour la récolte de microalgues par une valve 9.
Des tirants t sont prévus pour stabiliser les structures / extrémités 3a θt 3b. Description détaillée de l'exemple de réalisation de la présente invention
Les figures montrent, à l'intérieur des deux canaux parallèles, une phase liquide e peu profonde disposée de manière qu'elle soit éclairée supérieurement par les rayons solaires et tourbillonnée par les deux mélangeurs 2a et 2b qui réalisent la liaison entre les deux canaux parallèles divisés par une paroi f, elle aussi réalisée en matériau transparent, par exemple le même matériau que pour la structure a.
La forme caractéristique, observable en section, est obtenue par l'action simultanée du poids de la masse du liquide de culture e d'une part et de l'effet de la pression intérieure dans l'espace si générée par le ventilateur 4. La couverture supérieure b ancrée aux deux extrémités 3a et 3b par des profils (qui ne sont pas représentés dans les figures) constitue la deuxième couverture avec fonction de réglage thermique.
La pression de l'air dans l'espace s2 générée par le ventilateur 41 soutient la couverture supérieure b. Cette pression est inférieure à la pression de l'air dans l'espace si générée par le ventilateur 4. La régulation ou une limitation des pressions internes dans les espaces si et s2 est possible au moyen des valves v1 et v2 calibrées pour s'ouvrir à une pression demandée ou prédéterminée.
Comme illustré dans l'exemple de réalisation, la présente invention rend possible l'élimination de toutes les structures intermédiaires de soutien, en permettant une économie constructive considérable.
Dans l'exemple de réalisation, le photobioréacteur de la présente invention utilise une base 1 parfaitement plate et nivelée.
Le remplissage des canaux est réalisé au moyen de la pompe 7 et de Ia valve 8, tandis que la récolte a lieu par l'ouverture de la valve 9.
Les mélangeurs 2a et 2b sont actionnés par les moteurs électriques 6 tournant à un nombre de tours suffisant pour induire un mouvement turbulent dans le liquide de culture. Les structures 3a et 3b possèdent des parties verticales pleines ou massives qui délimitent sur les deux bouts l'espace s2, tandis que les tirants t servent pour renforcer la structure.
Le mélange gazeux air + dioxyde de carbone d, pressurisé par le ventilateur 4, est introduit, par le tuyau de ventilation d, dans l'espace si au-dessus de la suspension de microalgues e.
En restant en contact avec le liquide de culture, la différence de pression partielle pCU2 et pθ2 entre le milieu de culture e (phase liquide) et le mélange gazeux d (phase gazeuse) permet l'échange mutuel, entre phase liquide et phase gazeuse, de dioxyde de carbone dans un premier sens vers la suspension du milieu de culture e d'une part et d'oxygène, produit par la photosynthèse dans les microalgues, dans le sens opposé vers le mélange gazeux d.
La vitesse de déplacement du gaz doit être suffisamment lente pour permettre le meilleur échange des deux gaz. La ventilation pousse le gaz, maintenant épuisé, c'est- à-dire pauvre en CO2 et riche en O2, pour l'expulser vers l'extérieur à travers la valve v2, lorsque celle-ci s'ouvre, afin de stabiliser la pression interne.
Les mélangeurs 2a et 2b ont la charge de remuer la suspension de microalgues de façon à optimiser l'exposition à la lumière pendant le jour et éviter la sédimentation pendant la nuit.
Le photobioréacteur selon la présente invention peut être utilisé aussi, au-delà de la production de microalgues, pour des cultures d'autres microorganismes photosynthétiques permettant la fixation de CO2 et la production den biomasse.
D'un point de vue économique, il est avantageux de combiner la fixation de CO2 avec la production de biodiesel et avec la dépuration de déchets liquides urbains ou agricoles. Application industrielle
Les caractéristiques importantes pour l'application industrielle du photobioréacteur de la présente invention sont les suivantes: a) des canaux parallèles à flux horizontal qui contiennent le liquide de culture et qui peuvent être éclairés par les rayons du soleil, isolés de l'air extérieur par une surface (couverture) réalisée avec du matériel transparent et flexible, b) une deuxième surface (couverture) également réalisée avec du matériel transparent et flexible, pour créer un tunnel transparent au-dessus des canaux sous-jacents, c) les canaux et le tunnel assumant leur forme à cause de la pression interne, d) des mélangeurs à l'intérieur des canaux et destinés à remuer avec leurs roues (pales et/ou aubes) le liquide de culture,
e) les canaux et le tunnel, fermés hermétiquement et pourvus de mécanismes de déchargement d'air, permettant un réglage et/ou un ajustage et/ou une limitation de leur pressions internes, f) les espaces gazeux au-dessus de la phase liquide subissant une pressurisation par un mélange gazeux comportant une partie variable de CO2 (de l'air enrichi en CO2) et avec fonction nutritive, g) les canaux parallèles qui sont mis en communication à leurs extrémités afin de créer une continuité (circuit fermé pour le liquide nutritif),
h) le flux d'air enrichi de CO2 restant relégué ou confiné à l'intérieur et en contact constant avec le milieu de culture lors des périodes variables et réglables selon les besoins, i) le flux d'air en espaces fermés avec fonction de régulation thermique au moyen de ventilateurs extérieurs, j) les espaces réalisés pour la pressurisation pouvant être utilisés comme réservoirs pour les mélanges gazeux enrichis en CO2, notamment pendant les périodes de nuit, et k) une structure sans matériels rigides qui pourraient produire, sur toute leurs longueurs, des ombrages.
La présente invention permet la création d'installations modulaires à bas coût, basées sur un système à "autodrome" (raceway) couvert et qui utilisent du CO2 ou des déchets agricoles ou urbains riches en azote et phosphore et permettant une stabilité de la température et une croissance vigoureuse de la biomasse tout en minimisant les émissions externes.
Les avantages dérivant de la présente invention permettent de
1) réduire le coût énergétique de l'agitation du milieu de culture,
2) contrarier la prolifération de zooplancton prédateur dans le milieu de culture,
3) constituer un système efficace d'enrichissement en dioxyde de carbone indispensable pour une bonne productivité,
4) réaliser un système fermé qui permet de contrôler les échanges thermiques en rendant possible la gestion de la température du milieu de culture,
5) utiliser pour la construction des matériaux, donc des matériels transparent de bas coût et de disponibilité facile,
6) réaliser un système de photobioréacteurs fermés à bas coût de construction, qui rend économiquement avantageux des systèmes de cultures de dimensions vastes, développés selon des critères de modularité et pour une production de biomasse destinée à être transformée en biocombustibles, biocarburants, bioplastiques, etc.

Claims

Revendications
1. Photobioréacteur pour la culture de microorganismes photosynthétiques, notamment de microalgues, comprenant une enceinte renfermant des microorganismes photosynthétiques et un milieu nourrissant, lesdits microorganismes se trouvant en contact avec ledit milieu nourrissant et exposés au rayonnement solaire, caractérisé en ce qu'au moins une partie de ladite enceinte est constituée d'une structure flexible supportée par la pression d'un gaz renfermé à l'intérieur de ladite enceinte.
2. Photobioréacteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'au moins une partie de ladite enceinte est au moins partiellement transparante au rayonnement solaire.
3. Photobioréacteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit milieu nourrissant comprend une solution nourrissante dans laquelle lesdits microorganismes photosynthétiques sont suspendus.
4. Photobioréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que sensiblement la totalité de ladite enceinte est constituée d'une structure flexible.
5. Photobioréacteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite enceinte est remplie et supportée d'une suspension de microorganismes dans une solution nourrissante.
6. Photobioréacteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite enceinte est partiellement remplie d'un volume de liquide et partiellement remplie d'un volume de gaz au-dessus dudit liquide, de sorte que la pression dudit liquide supporte une partie inférieure et la pression dudit gaz supporte une partie supérieure de ladite enceinte.
7. Photobioréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une partie inférieure de ladite enceinte est constituée d'une structure rigide tandis qu'une partie supérieure de ladite enceinte est constituée d'une structure flexible.
8. Photobioréacteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite partie inférieure de l'enceinte est remplie d'un liquide tandis que ladite partie supérieure de l'enceinte est remplie d'un gaz.
9. Photobioréacteur selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que ledit liquide est constitué de ladite suspension de microorganismes dans une solution nourrissante.
10. Photobioréacteur selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que ledit gaz comprend du dioxyde de carbone.
11. Photobioréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ladite enceinte est en forme de tuyau.
12. Photobioréacteur selon la revendication 11 , caractérisé en ce que ledit tuyau comprend au moins deux caissons séparés.
13. Photobioréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que ladite enceinte comprend au moins une ouverture de gaz par laquelle un gaz peut être introduit dans ladite enceinte ou retiré de cette-dernière.
14. Photobioréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que ladite enceinte comprend au moins une ouverture de liquide par laquelle un liquide peut être introduit dans ladite enceinte ou retiré de cette-dernière.
15. Photobioréacteur selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que ladite ouverture de gaz et/ou ladite ouverture de liquide est contrôlable.
16. Photobioréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, comprenant en outre un dispositif de mouvement pour le liquide à l'intérieur de ladite enceinte.
17. Photobioréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, comprenant en outre un dispositif de mouvement pour le gaz à l'intérieur de ladite enceinte.
18. Photobioréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que ladite enceinte comprend un bassin en forme de circuit fermé dans lequel on fait circuler ledit milieu nourrissant et/ou ledit gaz.
19. Photobioréacteur selon la revendication 18, caractérisé en ce que ledit circuit fermé est composé d'une pluralité de tronçons d'enceinte installés en série.
20. Photobioréacteur selon la revendication 18, caractérisé en ce que lesdits tronçons d'enceinte sont raccordés et mis en communication à leurs extrémités par une unité de raccordement entre deux tronçons adjacents.
21. Photobioréacteur selon l'une quelconque des revendications 17 à 20, caractérisé en ce que ledit bassin comprend deux canaux sensiblement parallèles et en communication à leurs extrémités.
22. Photobioréacteur selon l'une quelconque des revendications 17 à 20, caractérisé en ce que ledit bassin comprend une pluralité de canaux sensiblement parallèles et en communication à leurs extrémités.
23. Photobioréacteur selon l'une quelconque des revendications 18 à 22, caractérisé en ce que ledit dispositif de mouvement de liquide est agencé dans une unité de raccordement où deux canaux adjacents se trouvent en communication.
24. Photobioréacteur selon l'une quelconque des revendications 18 à 23, caractérisé en ce que ledit dispositif de mouvement de gaz est agencé dans une unité de raccordement où deux canaux adjacents se trouvent en communication.
25. Photobioréacteur selon l'une quelconque des revendications 19 à 23, caractérisé en ce que lesdits tronçons d'enceinte sont constitués de ladite structure flexible supportée par la pression du gaz renfermé à l'intérieur de ladite enceinte.
26. Photobioréacteur selon la revendication 25, caractérisé en ce que lesdits tronçons sont constitués en matériau polymère.
27. Photobioréacteur selon la revendication 26, caractérisé en ce que lesdits tronçons sont formés par des feuilles polymériques raccordées et tendues entre deux unités de raccordement.
28. Photobioréacteur selon l'une quelconque des revendications 20 à 27, caractérisé en ce qu'au moins un capteur est agencé dans ladite unité de raccordement.
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