FR3014113A1 - Systeme de culture de micro-organismes photosynthetiques a rendement ameliore - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système (1) de culture de micro-organismes photosynthétiques, comportant : - un capteur solaire (2), adapté pour capter les photons apportés par le rayonnement solaire, - une zone de culture (3) contenant un milieu de culture des microorganismes photosynthétiques à cultiver, - un circuit (4) d'un fluide caloporteur dans lequel des particules de luminophores phosphorescentes sont en suspension, le circuit reliant le capteur à la zone de culture, - un échangeur de chaleur (5), adapté pour réguler la température du fluide dans la zone de culture, dans lequel les particules, ayant captées les photons dans le capteur et en suspension dans le fluide à la température régulée, sont destinées à réémettre dans le volume de la zone de culture, un rayonnement lumineux adapté à la culture des microorganismes photosynthétiques.

Description

SYSTEME DE CULTURE DE MICRO-ORGANISMES PHOTOSYNTHETIQUES A RENDEMENT AMELIORE Domaine technique La présente invention concerne un système de culture de micro-organismes photosynthétiques combinée à une production de chaleur à basse température L'invention vise en premier lieu à améliorer le rendement de la culture de micro-organismes photosynthétiques. Elle permet en outre la production simultanée de chaleur qui peut être valorisée sous différentes formes possibles, notamment pour la production d'eau chaude sanitaire, pour la climatisation par cycle thermodynamique, pour le chauffage de serres ou de bâtiments, pour le dessalement d'eau de mer. Par « micro-organismes photosynthétiques», on entend le sens usuel, tel que donné dans la publication [1], à savoir des algues et des cyanobactéries, i.e. des organismes eucaryotes ou procaryotes dont la croissance s'effectue principalement par photosynthèse, et de taille microscopique, typiquement comprise entre 1 et 100 !am.

Etat de la technique A l'état naturel, les micro-organismes photosynthétiques (micro-algues et cyanobactéries), sont des organismes photosynthétiques unicellulaires, principaux composants du phytoplancton, qui peuplent les océans et cours d'eau depuis plus de trois milliards et demi d'années.

La culture des micro-algues et des cyanobactéries à l'échelle industrielle connaît depuis peu un fort engouement du fait des nombreux champs d'application parmi lesquelles on peut citer, dans une échelle de valorisation décroissante, la pharmaceutique et la cosmétique, l'alimentation animale, l'alimentation humaine, les fertilisants, les matériaux biosourcés, la bio-rémédiation et les biocarburants (liquides ou gazeux).

Les trois espèces de micro-organismes photosynthétiques actuellement les plus cultivées sont, par ordre de quantité décroissante, les cyanobactéries du genre Arthrospira plus connue sous l'appellation de « spiruline », qui représente environ 50% de la production mondiale, suivie par les microalgues vertes des genres Chlorella, Dunaliella Haematococcus, Nannochloropsis et les diatomées du genre Odontella.

De manière générale, en dehors de quelques espèces cultivées pour des marchés de niche, les méthodes de culture des micro-organismes photosynthétiques n'ont pas encore atteint leur niveau de maturité industrielle. Des problématiques de constance de qualité et de leur coût de production se posent encore, ce qui limite leur accès à de nombreux marchés commerciaux. En outre, la production de micro-organismes photosynthétiques nécessite de la lumière ainsi que de la chaleur pendant les périodes froides. Or, pour ne pas la limiter aux seules régions chaudes et ensoleillées, les solutions techniques retenues doivent permettre d'augmenter la productivité des micro-algues dans des pays situés aux latitudes des régions tempérées. Les systèmes de production par monoculture de micro-organismes photosynthétiques en suspension dans l'eau sont nombreux. Pour la culture des micro-organismes photosynthétiques, on distingue notamment deux grandes familles de systèmes de culture [1]: - les systèmes d'architecture de type ouverte, qui sont constitués par des bassins, le cas échéant en boucle également connus sous la dénomination « Raceway », lagunes, récipients à ciel ouvert, c'est-à-dire à l'air libre. Ils ont comme avantage principal de générer des coûts de production relativement faibles. Leurs inconvénients majeurs résident dans une productivité volumique faible, c'est-à-dire des tailles d'équipements requis qui sont importants pour une production de biomasse donnée, et une mauvaise maitrise des conditions de culture (sensibilité aux contaminations notamment), - les systèmes d'architecture de type fermée, connus sous l'appellation « photo-bioréacteurs », constitués par une ou plusieurs enceinte(s), c'est-à-dire dont l'intérieur n'est pas en contact avec l'air ambiant. Bien que nécessitant un investissement initial important, les photo-bioréacteurs permettent comparativement à ceux ouverts, d'atteindre de meilleures productivités et de réaliser des cultures dans des conditions mieux maitrisées, du fait notamment qu'on évite les contaminations, pollutions, et les pertes de CO2.

La demande de brevet W02010/086310 propose, entre autres, de mettre à l'intérieur du milieu de culture d'algues, des particules dans lesquelles sont intégrées des fluorophores ou des luminophores. Ces particules sont mises en suspension et se déplacent selon le mouvement de déplacement des algues. Dans un autre mode de réalisation, il est prévu d'intégrer les particules luminophores directement dans les parois en polymère formant l'enceinte du photo-bioréacteur. Un inconvénient important de la solution proposée est de ne prévoir aucune gestion thermique pour réguler la température du milieu de culture des algues.

Le brevet DE19746343 propose une circulation de particules luminophores dans un tube concentrique aux parois de l'enceinte à l'intérieur duquel circule le milieu de culture d'une biomasse. Dans un mode de réalisation, il est prévu un dispositif à concentration solaire constitué par un miroir de forme cylindro-parabolique, qui permet d'augmenter le rayonnement reçu par la biomasse. Ici encore, aucune gestion thermique du milieu de culture n'est divulguée. Le brevet US 7985338 divulgue un système de purification des eaux usées au moyen d'algues, comportant un bioréacteur avec un empilement de plusieurs matériaux dont un luminescent au-dessus de plusieurs types de boites quantiques placées les unes au- dessus des autres, qui permet de faire une modulation spectrale du rayonnement solaire incident. La solution ne permet notamment pas de ramener du rayonnement solaire à l'intérieur du bioréacteur, ni de réguler sa température de fonctionnement. Par ailleurs, il est connu des systèmes de conversion photovoltaïques utilisant un média fluide, liquide ou gaz, comprenant des colorants photoluminescents.

Ainsi, le brevet US 4135537 divulgue un tel système, comportant un boitier avec une face transparente aux rayons lumineux et des capteurs photovoltaïques pour convertir le rayonnement lumineux en électricité. Le boitier est relié à un circuit de fluides muni d'un échangeur de chaleur. Un fluide chargé de particules luminescentes circule dans le boitier puis dans l'échangeur pour valoriser la chaleur issue du boitier. Les particules luminescentes ont pour fonction de réémettre la lumière captée dans toutes les directions et selon des longueurs d'onde optimales. Le brevet US 7173179 divulgue un système similaire avec en outre un dispositif à concentration solaire. La collecte de la lumière concentrée et la conversion photons/électrons sont assurées au sein d'une même enceinte, à l'aide de cellules photovoltaïques tapissant ses parois. Un fluide luminescent ou photoluminescent permet de convertir le flux surfacique de la lumière concentrée en flux volumique et également le filtrage des radiations infrarouges. Le refroidissement du fluide est par ailleurs assuré par circulation de celui-ci au travers d'un échangeur de chaleur séparé. Le brevet FR2941566 divulgue un système de conversion photovoltaïque avec un capteur solaire thermique dont l'enceinte est reliée à une autre enceinte renfermant des cellules au moyen d'un circuit de fluide, le fluide caloporteur circulant dans le circuit du capteur jusqu'aux cellules étant chargé en particules phosphorescentes qui transportent de ce fait les photons d'une enceinte à l'autre. Il existe un besoin pour améliorer les systèmes de culture de micro-organismes photosynthétiques, notamment en vue d'augmenter leur rendement par une meilleure maitrise de leurs conditions de culture, en particulier le spectre du rayonnement utilisé pour la photosynthèse et la régulation de la température du milieu de culture. Le but général de l'invention est de répondre au moins en partie à ce besoin. Un but particulier est de proposer un système de culture de micro-organismes photosynthétiques qui réponde au but général et qui en outre permet de récupérer la chaleur en excès afin de la valoriser par ailleurs. Exposé de l'invention Pour ce faire, l'invention a pour objet un système de culture de microorganismes photosynthétiques, comportant : - un capteur solaire, adapté pour capter les photons apportés par le rayonnement solaire, - une zone de culture contenant un milieu de culture des micro-organismes photosynthétiques à cultiver, - un circuit d'un fluide caloporteur dans lequel des particules de luminophores phosphorescentes sont en suspension, le circuit reliant le capteur la zone de 20 culture, - un échangeur de chaleur, adapté pour réguler la température du fluide dans la zone de culture, dans lequel les particules, ayant captées les photons dans le capteur et en suspension dans le fluide à la température régulée, sont destinées à réémettre dans le 25 volume de la zone de culture un rayonnement lumineux adapté à la culture des microorganismes. Par « capteur solaire, adapté pour capter les photons apportés par le rayonnement solaire», on entend ici et dans le cadre de l'invention, un dispositif conçu pour recueillir au moins une partie de l'énergie solaire transmise par rayonnement et la 30 communiquer par exposition lumineuse à un fluide caloporteur chargé de particules luminophores phosphorescentes.

Un capteur solaire au sens de l'invention comporte ainsi au moins une paroi transparente au rayonnement solaire et derrière laquelle circule le fluide caloporteur chargé des particules luminophores phosphorescentes. Un capteur solaire selon l'invention peut être de type à concentration, c'est-à- dire comportant un dispositif, tel qu'un miroir ou une lentille de Fresnel, permettant une concentration du rayonnement solaire. Un capteur solaire selon l'invention peut comporter ou non des moyens de déplacement pour suivre au mieux le soleil. Par « zone de culture», on entend aussi bien une zone à ciel ouvert, i.e. à l'air libre, qu'un photo-bioréacteur, c'est-à-dire un réacteur de culture d'architecture fermée avec une ou plusieurs enceintes, c'est-à-dire grâce auquel la culture est non en contact avec l'air ambiant ou encore non à ciel ouvert. En tant que zone de culture à ciel ouvert, on peut tout-à-fait prévoir un bassin à ciel ouvert, comprenant des tuyaux immergés dans le fond du bassin, pour la circulation des particules luminophores. Le bassin à ciel ouvert peut être de type à boucle(s), comme appelé usuellement « raceway ». Dans cette configuration, on peut prévoir avantageusement de positionner le capteur solaire selon l'invention sur un terre-plein central du bassin à boucles. Le fluide caloporteur peut circuler ainsi avantageusement dans des tubes immergés dans le fond du bassin à boucle(s), c'est-à-dire dans la partie du bassin où il manque naturellement le plus de photons provenant directement du soleil. Grâce à cela, on peut réaliser des « raceways » selon l'invention dont la profondeur du bassin est plus importante que celle des « raceways » selon l'état de l'art. En outre, on peut obtenir des « raceways » selon l'invention à l'intérieur desquels le phénomène de division de quantum peut être mis en oeuvre. Enfin, on peut obtenir un effet de rémanence lumineuse dans les « raceways » selon l'invention. Ainsi, l'invention consiste essentiellement, à transporter et réguler, au moyen d'un fluide caloporteur comportant des particules phosphorescentes en suspension à la fois la chaleur du rayonnement solaire captée par le fluide et les photons captés par les particules, vers la zone de culture des micro-organismes et au sein de celle-ci, c'est-à-dire dans son volume, ce qui permet une excellente maitrise des conditions de culture. Autrement dit encore, les photons captés par les particules viennent éclairer le volume interne de la zone de culture.

Outre la régulation de température du milieu de culture des micro-organismes, il s'avère particulièrement intéressant de pouvoir maitriser le spectre de longueurs d'ondes auquel est exposé la biomasse algale, afin de ne pas exposer la biomasse à des rayonnements qui sont néfastes soit à sa croissance, soit à la production des molécules pour lesquelles elle est cultivée (lipides, protéines, pigments, glucides, gaz comme le H2). On évite notamment les phénomènes de photo-inhibition, c'est-à-dire la surexposition de la biomasse à l'intensité lumineuse, qui apparaissent pour des ensoleillements directs de valeur relativement faible. En effet, lorsqu'une cellule d'algues reçoit un ensoleillement au-delà d'un certain seuil, elle met en place des mécanismes de dissipation de l'énergie variés. Parmi ceux-ci, la dissipation thermique est le plus courant, mais d'autres mécanismes peuvent aussi mener à la destruction de parties de la cellule. Dans certaines conditions, une cellule peut par exemple aussi permettre la production de molécules d'intérêt comme par exemple l'hydrogène. Autrement dit, la photosynthèse par la cellule a atteint son maximum, il y a donc photo-inhibition de celle-ci. Les mécanismes de dissipation de l'énergie, telle que la thermalisation des photons, se mettent en place bien avant l'apparition de photo-inhibition qui est le seuil à partir duquel la lumière va entraîner un arrêt de la croissance de la culture, si ce n'est une diminution de la culture. Grâce au système de culture selon l'invention on peut mieux contrôler la production de micro-organismes photosynthétiques et ainsi favoriser la production de molécules d'intérêts particulières. En outre, la chaleur régulée par le fluide d'échange de l'échangeur de chaleur pour optimiser de la température du milieu de culture des micro-algues, peut être évacuée et récupérée afin d'être valorisée. En particulier, un système selon l'invention peut être intégré à un bâtiment, la chaleur récupérée permettant d'en améliorer son efficacité énergétique. Les avantages d'un système de culture de micro-algues selon l'invention comparativement à ceux selon l'état de l'art, tels que présentés en préambule, sont nombreux, parmi lesquels on peut citer : une meilleure maîtrise des conditions de culture des micro-algues, notamment la température et les conditions d'illumination qui peuvent être maitrisées au cours de cycles complets de 24 h, sans subir les alternances jours/nuit ; - la répartition homogène du rayonnement énergétique dans un volume donné, plutôt que d'avoir une homogénéité surfacique, comme c'est le cas pour une culture dans les systèmes selon l'état de l'art. De ce fait, lorsque la zone contenant un milieu de culture des micro-organismes à cultiver, est constituée d'un récipient fermé (enceinte) de photo-bioréacteur, on peut réaliser avantageusement celui-ci sous la forme d'un échangeur très compact avec alternance d'un grand nombre de canaux minces de culture d'algues et de canaux de circulation de particules de luminophores, ce qui permet en outre de diminuer les pertes de conversion photosynthétique ; - la valorisation possible de l'énergie thermique captée. Les systèmes actuels utilisent en effet soit un refroidissement actif grâce à de l'eau (ruissellement, dilution notamment), soit par une limitation de l'intensité lumineuse incidente (rideaux opaques), sans chercher à récupérer l'énergie thermique ; - une réalisation possible du photo-bioréacteur à partir de matériaux polymères à bas-coûts, qui en outre ne sont pas soumis à des rayonnements très énergétiques, notamment dans le spectre des UV, ce qui permet de prolonger leur durée de vie et d'abaisser leur coût de maintenance, c'est-à-dire en d'autres termes un système de culture à coûts d'investissement et d'exploitation réduits. Sur ce dernier point, il est à noter que le surcoût relatif lié à l'investissement en particulier du capteur solaire et de l'échangeur de chaleur par rapport à un système à photo-bioréacteur selon l'état de l'art est compensé par le gain non négligeable sur l'efficacité de photosynthèse des micro-algues. A titre d'exemple, un système selon l'état de l'art présente typiquement un rendement de photosynthèse de l'ordre de 1,5 à 2,5% de l'énergie solaire incidente, ce qu'un système selon l'invention peut dépasser aisément. En outre, un système selon l'invention ne met pas en oeuvre de lumière artificielle produite à partir d'électricité, utilisée par exemple avec des lampes à néons, tubes fluorescents ou à diodes électroluminescentes (LED), dans les photo-bioréacteurs selon l'état de l'art. Enfin, l'échangeur de chaleur fournit de la chaleur améliorant notablement le rendement énergétique global d'un système selon l'invention par rapport aux photo-bioréacteurs selon l'état de l'art ; - une intégration possible du capteur solaire dans un bâtiment afin d'une part d'améliorer son efficacité énergétique pour le chauffage et/ou la climatisation et d'autre part d'apporter une plus-value esthétique par un affichage lumineux rendu possible par les particules luminophores phosphorescents. Sur ce dernier point, il est possible d'afficher des lettres, slogans et/ou logos lumineux durant la nuit ; l'absence de mélange entre microorganismes et les particules luminophores avec une récupération en continu de ces dernières transportées dans le circuit. Avec un système de culture selon l'invention, on peut obtenir par l'intermédiaire du fluide caloporteur circulant depuis le capteur solaire, au travers de la zone de culture, des gammes de température optimales en fonction des espèces de microorganismes à cultiver. Ainsi, pour la culture des espèces de micro-algues et cyanobactéries ci-après, on peut obtenir les gammes préférentielles comme suit : - Arthrospira platensis : 25 - 35 °C (température optimale = 30°C), - Chlorella pyrenoidosa : 35 - 45°C (température optimale = 38,7°C), - Chlorella vulgaris : 25 - 35 °C (température optimale = 30°C), - Chlamydomonas reinhardtii : 15 - 30°C (température optimale = 25°C), - Phaeodactylum tricornutum : 20 - 25 °C (température optimale = 22,5°C), - Porphyridium cruentum : 15 - 30 °C (température optimale = 19,1°C), - Scenedesmus sp. : 20 - 33 °C (température optimale = 26,3°C), - Nannochloropsis oceanica : 20 - 33°C (température optimale = 26,7°C), - Dunaliella tertiolecta : 30 - 39°C (température optimale = 32,6°C).

Comme évoqué ci-avant, selon un mode de réalisation avantageux, la zone de culture est constituée par un photo-bioréacteur. Selon un autre mode de réalisation avantageux,la zone de culture est une zone à ciel ouvert, c'est-à-dire à l'air ambiant. Selon une première variante de réalisation, l'échangeur de chaleur est intégré dans le circuit de fluide du fluide caloporteur contenant les particules de luminophores phosphorescentes en suspension. Selon une deuxième variante de réalisation, l'échangeur de chaleur est intégré au sein du capteur solaire. Selon une troisième variante de réalisation, l'échangeur de chaleur est intégré au sein de la zone de culture.

De préférence, les particules phosphorescentes sont des sulfures ou des séléniures ou des phosphores de type oxyde. De préférence encore, il s'agit de sulfures de zinc ou des aluminates d'alcalino-ferreux dopé en particulier avec des terres rares. Avantageusement, le fluide caloporteur est de l'eau, ou de l'eau additionnée d'un antigel comme de l'éthylène glycol, ou du propylène glycol. De préférence, la concentration massique des particules photoluminescentes dans le fluide caloporteur est comprise entre 0,1 et 30%. Selon une variante avantageuse, le fluide caloporteur comporte en outre des nanoparticules permettant l'apparition du phénomène de division de quantum et/ou permettant la conversion de longueur d'onde des photons réémis du spectre ultra-violet vers celui du visible. L'(les) enceinte(s) du capteur solaire est (sont) avantageusement réalisée(s) en verre ou en polymère transparent au rayonnement solaire. L'(les) enceinte(s) du capteur solaire peut comporter une paroi formant un fond, opposée à une paroi transparente au rayonnement solaire, le fond étant de couleur noire. Avec un tel fond noir, on augmente encore l'énergie thermique absorbée et qui est transmise au fluide transportant les luminophores phosphorescentes. Selon une variante avantageuse, la face extérieure au moins de la paroi formant le fond peut être revêtue d'un revêtement réfléchissant l'infra-rouge à partir des longueurs d'ondes supérieures à 2,51.1.m. L'(les) enceinte(s) de photo-bioréacteur est (sont) réalisée(s) de préférence à partir de plaques ou de tubes en matériau transparent au rayonnement du visible, tel que du polychlorure de vinyle (PVC) ou du polycarbonate. Selon une première variante de réalisation, l'(les) enceinte(s) de photo- bioréacteur est (sont) constituée(s) d'un échangeur tubulaire avec des canaux de circulation du fluide chargé en particules phosphorescentes, de forme droite allongée selon l'axe du tube de l'enceinte. Selon une deuxième variante de réalisation, l'enceinte de photo-bioréacteur est (sont) constituée(s) d'un échangeur à plaques superposées, avec des canaux de circulation du fluide chargé en particules phosphorescentes à travers les plaques qui s'étendent selon la longueur des plaques tout comme les canaux de circulation du milieu de culture.

Comme déjà évoqué, le capteur solaire peut comporter avantageusement un dispositif de concentration solaire. L'invention concerne également l'utilisation de la chaleur en sortie de l'échangeur de chaleur du système de culture qui vient d'être décrit pour la production d'eau chaude sanitaire, pour la climatisation par cycle thermodynamique ou par système à absorption, pour le chauffage de serre ou de bâtiment, pour le dessalement d'eau de mer, pour la production d'électricité par cycle Rankine. L'invention concerne enfin l'utilisation de la phosphorescence des particules du système de culture selon l'une des revendications précédentes, pour l'affichage visible à l'oeil nu, en particulier la nuit, de slogans et/ou logos lumineux, notamment à des fins publicitaires. Description détaillée D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée de l'invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique d'un premier exemple de système de culture de micro-organismes photosynthétiques selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique d'un deuxième exemple de système de culture de micro-organismes photosynthétiques selon l'invention; - la figure 3 est une vue schématique d'un exemple de capteur solaire pouvant être mis en oeuvre dans le système de culture de micro-organismes photosynthétiques selon l'invention; - la figure 4 est une vue schématique d'un premier exemple de photobioréacteur pouvant être mis en oeuvre dans le système de culture de micro-organismes photosynthétiques selon l'invention; - la figure 4A est une vue schématique d'un deuxième exemple de photobioréacteur pouvant être mis en oeuvre dans le système de culture de micro-organismes photosynthétiques selon l'invention; - la figure 4B est une vue schématique d'un troisième exemple de photo- bioréacteur pouvant être mis en oeuvre dans le système de culture de micro-organismes photosynthétiques selon l'invention.

Dans la description qui va suivre les termes « entrée », « sortie » « amont », « aval », sont utilisés par référence avec la direction de circulation du fluide caloporteur chargé en particules luminophores phosphorescentes au sein du système selon l'invention. D'ailleurs dans toute la description qui va suivre, la circulation du fluide caloporteur chargé en particules luminophores phosphorescentes est symbolisée par les flèches F. La circulation du fluide d'échange thermique avec le fluide caloporteur est quant à elle symbolisée par les flèches E. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un premier exemple d'un système de culture de micro-organismes photosynthétiques 1 selon la présente invention comportant un capteur solaire 2, une zone de culture 3 constituée par un photobioréacteur, un circuit de fluide étanche 4, relié au capteur solaire 2 et au photobioréacteur, pour assurer la circulation en boucle d'un fluide caloporteur chargé en particules luminophores phosphorescentes entre le capteur 2 et le photo-bio-réacteur 4, et un échangeur de chaleur 5 entre au moins les deux fluides E, F et qui est intégré dans le circuit 4. Dans toute la description qui va suivre, au lieu d'un photo-bioréacteur, la zone de culture 3 pourrait être également constituée par une zone à ciel ouvert, avantageusement un ou plusieurs bassins, lagunes ou autres récipients, notamment un ou plusieurs bassins en boucle usuellement dénommé en anglais « raceway». Dans le cadre de l'invention, il est toujours possible d'avoir une régulation thermique au sein d'un raceway. Ainsi : - en cas de surchauffe de la zone de culture, on peut refroidir et donc limiter les pertes d'eau par évaporation ; - en cas de zone de culture trop froide : on peut réchauffer et donc permettre une culture sur une période plus longue (par temps plus froid). En outre, le système 1 comporte une pompe 6 permettant la circulation du fluide F dans le circuit 4 en boucle fermée. La circulation du fluide peut également se faire préférentiellement par effet thermosiphon afin de diminuer la consommation énergétique du système 1. L'utilisation d'une pompe 6 peut être requise selon le lieu d'intégration du système 1 et son degré d'automatisation.

Sur la figure 2, on a représenté schématiquement le deuxième exemple d'un système de culture de micro-organismes photosynthétiques 1 selon la présente invention. Le système illustré en figure 2 comporte les mêmes éléments que celui de la figure 1, seul l'échangeur de chaleur 5 étant intégré au sein du photo-bioréacteur 3.

Le capteur solaire 2 comporte une enceinte 20 délimitant un espace intérieur destiné à contenir un fluide, et dont au moins une paroi 20 est transparente au rayonnement solaire R permettant au fluide circulant dans l'enceinte d'être exposée au rayonnement solaire. L'enceinte comporte également un orifice d'alimentation 10 en fluide et un orifice d'évacuation 12 du fluide pour permettre la circulation du fluide à travers l'espace intérieur. Le photo-bioréacteur 3 comporte une enceinte 30 délimitant un espace intérieur dans lequel circule le fluide provenant du capteur solaire 2. Cette enceinte 30 comporte un orifice d'alimentation 31 en fluide et un orifice d'évacuation 32 du fluide. L'enceinte 30 contient un milieu de culture de micro-algues à cultiver.

Contrairement aux enceintes des photo-bioréacteurs selon l'état de l'art, l'enceinte 30 du photo-bioréacteur selon l'invention peut ne pas comporter de paroi externe transparente, ce qui permet d'augmenter le taux de collecte par les microorganismes photosynthétiques des photons réémis par les particules phosphorescentes. Le circuit 4 de circulation du fluide caloporteur chargé en particules phosphorescentes relie : - d'une part, l'orifice d'évacuation 23 de l'enceinte 20 du capteur solaire 2 à celui d'alimentation 31 de l'enceinte 30 du photo-bioréacteur 3, et, - d'autre part, l'orifice d'évacuation 32 de l'enceinte 30 du photo-bioréacteur à celui d'alimentation 22 du capteur solaire 2.

Tel qu'illustré schématiquement, le circuit de fluides 4 peut comporter des tuyaux pour relier ces orifices entre eux. Les tuyaux peuvent être plus ou moins longs en fonction du lieu d'intégration du système. Bien entendu, les deux enceintes 20, 30 peuvent, en pratique, être disposées le plus proche l'une de l'autre. Le fluide caloporteur est chargé de particules phosphorescentes en suspension.

Le fluide peut être un gaz ou un liquide. De préférence, le fluide caloporteur est de l'eau, ou de l'eau additionnée d'un antigel, comme de l'éthylène glycol, propylène glycol ou autres produits.

L'échangeur de chaleur 5 du système 1 est adapté pour prélever la chaleur transportée par le fluide caloporteur F et ainsi réguler au mieux sa température et donc celle du milieu de culture des micro-organismes photosynthétiques que l'on souhaite atteindre dans le photo-bioréacteur.

Dans l'exemple illustré en figure 1, l'échangeur 5 est intégré dans le circuit 4 et plus exactement monté entre le capteur solaire 2 et le photo-bioréacteur 3, en amont du photo-bioréacteur 3 dans le sens de circulation du fluide caloporteur F. Dans l'exemple illustré en figure 2, l'échangeur 5 est intégré au sein du photobioréacteur 3. Cette intégration est avantageuse car elle permet de supprimer l'échangeur en tant que composant supplémentaire, d'où une économie de coût, de place, et une amélioration du volume mort non actif de fluide phosphorescent dans l'échangeur. Avantageusement, une récupération de chaleur est effectuée afin qu'elle soit valorisée sous différentes formes possibles, notamment pour la production d'eau chaude sanitaire, pour la climatisation par cycle thermodynamique ou par système à absorption, pour le chauffage de serres ou de bâtiments, pour le dessalement d'eau de mer...Par exemple, lorsque le système de culture selon l'invention est intégré à un bâtiment, l'efficacité énergétique est d'autant améliorée. L'échangeur de chaleur 5 peut être du type serpentin circulant dans un ballon d'eau chaude et permettant de produire l'eau chaude d'une habitation.

Le fluide circule dans le système entre le capteur solaire 2 et le photo- bioréacteur 3, par exemple au moyen d'une pompe 6 ou par effet thermosiphon. L'effet thermosiphon peut être privilégié afin de diminuer la consommation énergétique du système. L'utilisation d'une pompe 6 est envisageable, selon le lieu d'intégration du système et son degré d'automatisation. Cela permet d'assurer une circulation du fluide en permanence. Le fonctionnement du système de culture de micro-organismes photosynthétiques selon la présente invention va maintenant être expliqué. Le volume de fluide caloporteur chargé en particules phosphorescentes se trouvant dans l'enceinte 20 du capteur 2 est exposé au rayonnement solaire. Les photons dont la longueur d'onde se trouve dans les spectres visible et ultraviolet sont absorbés par les particules phosphorescentes à un instant tO. Le volume de fluide caloporteur est en outre échauffé par le rayonnement infrarouge. Le volume de fluide circule dans le circuit et rejoint le photo-bioréacteur 3. La phosphorescence est un type particulier de photoluminescence dans lequel le phénomène de réémission est différé temporellement. Les photons absorbés passent par des états d'énergie intermédiaire, typiquement des états triplets (interdits), le retour inévitable des photons piégés de ces états interdits au niveau de basse énergie est cinétiquement défavorisé, ce qui a pour effet de ralentir l'émission lumineuse, c'est ainsi que la réémission de l'énergie absorbée pour la plupart des matériaux phosphorescents est de l'ordre de la milliseconde. Il est possible d'avoir des états triplets dont la durée de vie est de plusieurs heures, ce qui implique une réémission des photons plusieurs heures après leur absorption. Cette réémission différée a pour avantage de permettre la culture des micro-algues en l'absence de rayonnement solaire, et notamment la nuit. En effet, les photons captés par les particules phosphorescentes lors d'une période d'ensoleillement, typiquement le jour, sont réémis la nuit dans le photo-bioréacteur, ceci particulièrement dans le cas d'une réémission différée de plusieurs heures. Le photo-bioréacteur peut fonctionner en permanence, en utilisant la forte rémanence des matériaux phosphorescents, les photons étant réémis jusqu'à 12 heures après leur exposition. Ainsi, les particules phosphorescentes réémettent à un instant t' égal à tO + At des photons dans le spectre visible, au sein de l'enceinte 30 du photo-bioréacteur 3. Les photons réémis le sont dans toutes les directions de l'espace, ce qui permet d'optimiser la collecte de photons dans un photo-bioréacteur 3 de n'importe quelle structure. Simultanément, l'échangeur de chaleur 5 en amont du photo-bioréacteur 3 ou intégré à celui-ci ou encore intégré au capteur solaire 2, permet de diminuer la température du fluide caloporteur F, préalablement à son entrée dans le photo-bioréacteur 3. Ainsi, la température est régulée au plus proche de la température requise par le milieu de culture des micro-algues. Autrement dit, le système de culture selon l'invention permet une très bonne maîtrise des conditions de culture des micro-organismes photosynthétiques, c'est-à-dire leurs conditions d'illumination et la température du milieu de culture.

De manière également avantageuse, on peut prévoir d'ajouter dans le fluide des nanoparticules permettant l'apparition du phénomène de division de quantum afin d'augmenter encore le rendement photosynthétique des micro-organismes. La division de quantum est un mécanisme permettant, par exemple à partir d'un photon émettant dans l'ultraviolet, de donner deux photons émettant dans le visible ou dans un spectre proche de l'infrarouge. Avantageusement, les matériaux phosphorescents choisis peuvent être des sulfures ou des séléniures ou des phosphores de type oxyde. De manière particulièrement avantageuse, on peut choisir les sulfures de zinc et les aluminates d'alcalino-terreux (Sr) dopé avec des terres rares. Ces derniers permettent de contrôler le domaine d'émission des photons, ce qui permet d'adapter l'émission des photons en fonction de la(des) bande(s) d'absorption dans laquelle les micro-organismes photosynthétiques contenus dans le photo-bioréacteur sont les plus efficaces. Typiquement, pour les chlorophylles, les bandes d'absorption les plus efficaces sont celles comprises entre 420-500nm et 620-700 nm. On peut aussi utiliser des matériaux phosphorescents inorganiques présentant avantageusement des rendements quantiques plus élevés et étant peu sensibles à la chaleur. La taille des particules est avantageusement comprise entre 0,1 i.tm et 1 i.tm, avec une concentration par exemple comprise entre 0,1% à 30% en masse.

On a représenté en figure 3, un exemple de réalisation d'une enceinte 20 d'un capteur solaire 2 définissant le volume de fluide caloporteur chargé de particules phosphorescentes qui reçoit le rayonnement solaire R. Plus précisément, la face de dessus 21 est transparente au rayonnement solaire mais l'ensemble des faces peut également être prévu transparent au rayonnement solaire. Il peut s'agir d'une enceinte en verre ou en polymère transparent. La face de dessous 24 peut être prévue de couleur noire, par exemple au moyen d'une peinture noire, afin d'augmenter l'énergie thermique absorbée et transmise au fluide caloporteur F. Tel qu'illustrée en figure 3, la forme de l'enceinte 20 est une forme parallélépipédique droite dans sa partie centrale 2a et de forme trapézoïdale dans les parties d'extrémité 2b, 2c reliées à la partie centrale par leur base. Le sommet des formes trapézoïdales est percé pour définir respectivement les orifices d'alimentation 22 et d'évacuation 23 du fluide.

On a représenté aux figures 4 à 4B différentes variantes de réalisation d'enceinte 30 de photo-bioréacteur 3 qui peuvent convenir dans le cadre de l'invention. Il s' agit : - en figure 4, d'une enceinte 30 de forme tubulaire cylindrique avec des canaux 33 de circulation du fluide F de forme droite allongée selon l'axe du cylindre ; - en figure 4A, d'un échangeur 30 à plaques en verre ou en polymère superposées, avec des canaux 33 de circulation du fluide F de forme droite allongée selon la longueur des plaques tout comme ceux 34 de circulation du milieu de culture; - en figure 4B, d'une enceinte 30 de forme tubulaire cylindrique avec un circuit de circulation du milieu de culture, et le circuit 33 du fluide F étant réalisé par un serpentin en verre ou en polymère. Dans toutes ces enceintes 30 de photo-bioréacteur, on met préférentiellement en oeuvre un bullage de CO2 et une agitation du milieu de culture. L'aération par le bullage de CO2 peut d'ailleurs servir à empêcher la sédimentation ou l'agrégation des 15 micro-organismes. Dans les enceintes 30 des exemples illustrées des figures 4 et 4B, le bullage de CO2 peut se faire par le dessous de l'enceinte, par l'intermédiaire d'un ajout de CO2 à plusieurs endroits au bas du cylindre 30. L'ajout de CO2 se fait avantageusement à la base de chaque plaque ou à la 20 base d'une plaque sur deux superposées, ce qui permet avantageusement de garder les micro-organismes en suspension sans les faire sédimenter. L'extraction des micro-organismes obtenus par culture se fait avantageusement en ouvrant une vanne d'extraction prévue à cet effet dans l'enceinte. Dans les enceintes 30 des exemples illustrées des figures 4 et 4B, la vanne 25 d'extraction peut se situer n'importe où. Dans l'enceinte 30 de l'exemple illustré de la figure 4A, la vanne d'extraction se situe avantageusement à l'une des extrémités des canaux 34. D'autres variantes et améliorations peuvent être prévues sans pour autant sortir du cadre de l'invention. 30 L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits ; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.

L'expression « comportant un » doit être comprise comme étant synonyme de « comportant au moins un », sauf si le contraire est spécifié.

Référence citée [1] : J. Pruvost et Al. «Production industrielle de microalgues et cyanobactéries », Techniques de l'ingénieur, IN 200, 11/2011

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Système (1) de culture de micro-organismes photosynthétiques, comportant : un capteur solaire (2), adapté pour capter les photons apportés par le rayonnement solaire, - une zone de culture (3) contenant un milieu de culture des microorganismes photosynthétiques à cultiver, - un circuit (4) d'un fluide caloporteur dans lequel des particules de 10 luminophores phosphorescentes sont en suspension, le circuit reliant le capteur à la zone de culture, - un échangeur de chaleur (5), adapté pour réguler la température du fluide dans la zone de culture, dans lequel les particules, ayant captées les photons dans le capteur et en 15 suspension dans le fluide à la température régulée, sont destinées à réémettre dans le volume de la zone de culture, un rayonnement lumineux adapté à la culture des microorganismes photosynthétiques.
2. 2. Système de culture selon la revendication 1, la zone de culture étant constituée par un photo-bioréacteur fermé (3). 20
3. 3. Système de culture selon la revendication 1, la zone de culture étant une zone à ciel ouvert, c'est-à-dire à l'air ambiant.
4. 4. Système de culture selon l'une des revendications précédentes, l'échangeur de chaleur (5) étant intégré dans le circuit de fluide (4) du fluide caloporteur contenant les particules de luminophores phosphorescentes en suspension. 25
5. 5. Système de culture selon l'une des revendications 1 à 3, l'échangeur de chaleur (5) étant intégré au sein du capteur solaire (2).
6. 6. Système de culture selon l'une des revendications 1 à 3, l'échangeur de chaleur (5) étant intégré au sein de la zone de culture (3).
7. 7. Système de culture selon l'une des revendications précédentes, les 30 particules phosphorescentes étant des sulfures ou des séléniures ou des phosphores de type oxyde.. Système de culture selon la revendication 7, les particules phosphorescentes étant des sulfures de zinc ou des aluminates d'alcalino-ferreux dopé en particulier avec des terres rares. 9. Système de culture selon l'une des revendications précédentes, le fluide 5 caloporteur étant de l'eau, ou de l'eau additionnée d'un antigel comme de l'éthylène glycol, ou du propylène glycol. 10. Système de culture selon l'une des revendications précédentes, la concentration massique des particules photoluminescentes dans le fluide caloporteur étant comprise entre 0,1 et 30%. 10 11. Système de culture selon l'une des revendications précédentes, le fluide caloporteur comportant en outre des nanoparticules permettant l'apparition du phénomène de division de quantum et/ou permettant la conversion de longueur d'onde des photons réémis du spectre ultra-violet vers celui du visible. 12. Système de culture selon l'une des revendications précédentes, 1'(les) 15 enceinte(s) (20) du capteur solaire (2) étant réalisée(s) en verre ou en polymère transparent au rayonnement solaire. 13. Système de culture selon l'une des revendications précédentes, l'(les) enceinte(s) (20) du capteur solaire (2) comportant une paroi (24) formant un fond, opposée à une paroi (21) transparente au rayonnement solaire, le fond étant de couleur noire. 20 14. Système de culture selon l'une des revendications 2 à 13, l'(les) enceinte(s) (30) de photo-bioréacteur (3) étant réalisée(s) à partir de plaques en matériau transparent au rayonnement du visible, tel que du polychlorure de vinyle (PVC) ou du polycarbonate. 15. Système de culture selon l'une des revendications 2 à 14, l'(les) 25 enceinte(s) (30) de photo-bioréacteur (3) étant constituée(s) d'un échangeur tubulaire avec des canaux (33) de circulation du fluide chargé en particules phosphorescentes, de forme droite allongée selon l'axe du tube de l'enceinte. 16. Système de culture selon l'une des revendications 2 à 14, l'enceinte (30) de photo-bioréacteur (3) étant constituée d'un échangeur à plaques superposées, avec des 30 canaux (33) de circulation du fluide chargé en particules phosphorescentes à travers les plaques qui s'étendent selon leur longueur des plaques tout comme les canaux (34) de circulation du milieu de culture.. Système de culture selon l'une des revendications précédentes, le capteur solaire (2) comportant un dispositif de concentration solaire. 18. Utilisation de la chaleur en sortie de l'échangeur de chaleur (5) du système de culture selon l'une des revendications précédentes pour la production d'eau 5 chaude sanitaire, pour la climatisation par cycle thermodynamique ou par système à absorption, pour le chauffage de serre ou de bâtiment, pour le dessalement d'eau de mer. 19. Utilisation de la phosphorescence des particules du système de culture selon l'une des revendications 1 à 17, pour l'affichage visible à l'oeil nu, en particulier la nuit, de slogans et/ou logos lumineux, notamment à des fins publicitaires. 10