FR3138147A1 - Nouveau photo-bioreacteur et systeme de culture automatise - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif photo-bioréacteur optimisé pour apporter une maitrise totale d’une source lumineuse dudit dispositif à intensité variable, ladite intensité étant contrôlée au moyen d’une régulation analogique d’une source lumineuse à LED alimenté par un courant continu, et étant complété le cas échéant par une régulation numérique pour intégrer une fonction flash. Le dispositif de l’invention comporte également une source lumineuse interne intégrant un mécanisme de nettoyage et étant conçu pour faciliter son entretien. L’invention concerne également un système de culture automatisée permettant d’obtenir un haut rendement de production de biomasse, et faire un suivi précis des conditions de culture.
Description
La présente invention concerne le domaine de photo-bioréacteurs pour la culture de microorganismes photosynthétiques tels que les microalgues, et les procédés de culture automatisés. L’invention concerne notamment la régulation et configuration optimale de l’éclairage d’un photo-bioréacteur et la conception d’un système de culture automatisée de microalgues.
Il existe aujourd’hui de nombreux types de photo-bioréacteurs PBR pour la culture de microalgues. La plupart de ces dispositifs sont conçus pour son utilisation au laboratoire, et ne permettent pas une production de biomasse à haut rendement ou un contrôle précis des conditions d’éclairage et de culture. En général, un photo-bioréacteur comporte au moins un réservoir ouvert ou fermé pour contenir le milieu de culture et une source de lumière permettant d’irradier ledit réservoir. L’accès à la lumière est l’un de facteurs limitant le plus les rendements des cultures et différents modèles de photo-bioréacteur ont été proposés pour optimiser le rapport surface du réservoir et volume éclairé. D’autre part, alimentation de l’éclairage représente également l’un des coûts le plus importants du fonctionnement d’un PBR. Il est donc souhaité d’avoir un réservoir et une configuration des éclairages permettant d’éclairer au mieux possible le milieu de culture, tout en limitant la consommation d’énergie. L’utilisation de diodes électroluminescents LED comme source de lumière a été proposée afin de répondre à ce besoin.
Par exemple, la demande de brevet US 2010/0190227 divulgue un photo-bioréacteur intégrant une source lumineuse à l’intérieur du réservoir, notamment sous forme d’un insert LED moulé en plastique. Le photo-bioréacteur est conçu en plusieurs modules, chaque module comporte un réservoir intégrant un insert LED sous forme de tuyau vertical, ledit insert étant positionné d’un côté latéral dudit module, en décalage à l’axe central du réservoir, et de sorte que le côté opposé dudit module intègre une ouverture supérieure permettant de connecter un deuxième module à ladite ouverture. Ce document propose d’incrémenter la capacité de culture du photo-bioréacteur en empilant verticalement plusieurs modules communiquant entre eux par leurs ouvertures supérieures, de sorte à alterner les orientations des inserts LED à chaque étage pour avoir une géométrie hélicoïdale de positionnement desdits LED au travers de la colonne. Ce système est avantageux en ce qu’il permet d’intégrer une source de lumière à l’intérieur du réservoir et de diminuer la consommation en énergie des éclairages. Cependant, des nouveaux photo-bioréacteurs sont encore nécessaires pour optimiser et contrôler d’avantage les conditions d’éclairage d’un PBR.
La présente invention a donc pour but de proposer un photo-bioréacteur perfectionné pour améliorer l’utilisation de la lumière et le rapport lumière/surface éclairée.
Un autre objectif est de proposer un système d’éclairage permettant de contrôler parfaitement le mode d’éclairage.
Un autre objectif de l’invention est de proposer un photo-bioréacteur adapté à tout type de culture (mixotrophie, hétérotrophie, en batch, en continu ou semi continu) et permettant de paramétrer avec précision les conditions de culture.
Un autre objectif de l’invention est de proposer un système de culture de microalgues automatisé.
A ces fins, l’invention propose un dispositif photo-bioréacteur, ledit dispositif comportant une cuve de culture, une source lumineuse à diodes électroluminescents LED, un module de régulation de puissance de ladite source lumineuse et une unité de contrôle, caractérisé en ce que :
-la source lumineuse est configurable en intensité lumineuse, en temps, et de préférence en longueur d’onde au moyen dudit module de régulation de puissance piloté par ladite unité de contrôle, et
-le module de régulation est alimenté par un courant continu et met en œuvre une régulation analogique pour contrôler une puissance d’alimentation de la source lumineuse faisant varier l’intensité lumineuse.
Le dispositif de l’invention est très avantageux en ce qu’il permet la mise en œuvre d’un éclairage LED pouvant être activé et contrôlé de manière précise pour fonctionner selon un mode d’éclairage souhaité, ainsi que pour faire varier son intensité lumineuse. Notamment, la régulation analogique de l’intensité lumineuse permet d’assurer une véritable continuité de l’éclairage lorsque celui-ci doit être actif, tout en faisant varier son intensité. Il sera donc possible d’étudier de manière fiable l’effet du mode et temps d’éclairage sur la croissance d’une culture ou la production d’un métabolite d’intérêt. Au contraire, une régulation numérique pour faire varier l’intensité du LED introduit un faux éclairage qui apparait continu à l’œil humain, mais étant composé de signaux de lumière haché et pouvant être ressenti par les microalgues.
Dans un mode de réalisation préféré, la source lumineuse est configurable selon un mode d’éclairage flash, et le dispositif comporte un module de régulation flash mettant en œuvre une régulation numérique pilotée par l’unité de contrôle, tel que de type PWM, pour activer et désactiver à haute intensité et vitesse ladite source lumineuse. Ce mode d’éclairage est très avantageux en ce qu’il permet de réaliser des économies d’énergie, et le dispositif de l’invention permet de fournir un effet flash parfaitement paramétrable.
Dans un mode de réalisation préféré, dans lequel la source lumineuse est configurable en longueur d’onde et de manière variable sur un cycle de fonctionnement, et le dispositif comporte un module de régulation de puissance sous commande analogique pour chaque canal alimentant un ou des LED de ladite source lumineuse.
Dans un mode de réalisation, la source lumineuse comporte au moins un capteur de lumière en communication avec ladite unité de contrôle, et cette dernière met en œuvre un rétrocontrôle d’une commande de puissance d’alimentation de la source lumineuse en fonction d’un flux lumineux mesuré par ledit capteur de lumière, et dans lequel ledit réservoir comporte de préférence une ou des parois revêtues d’une couche réfléchissante agencée pour réfléchir la lumière de ladite source lumineuse. Il est ainsi possible de contrôler d’avantage l’intensité lumineuse et améliorer l’utilisation de la lumière.
De préférence, ladite source lumineuse est intégrée à l’intérieur de la cuve de culture sous forme d’un tuyau lumineux vertical intégrant lesdits LED, et la source lumineuse comporte une colonne d’emplacement s’étendant à partir d’un fond de la cuve de culture et débouchant de manière étanche au niveau d’une fermeture supérieure de ladite cuve de culture, et dans lequel le tuyaux lumineux est hébergé à l’intérieur de ladite colonne d’emplacement, et une ouverture supérieure de la colonne d’emplacement est configurée comme une ouverture refermable indépendante, et permettant de conserver l’étanchéité d’un volume interne de la cuve de culture lors de son ouverture. Ce mode d’intégration de la source lumineuse permet l’accès et dépannage de la source lumineuse sans besoin d’arrêter la culture en cours, et sans compromettre la stérilité de la culture dans la cuve.
De manière avantageuse, le dispositif de l’invention comporte un mécanisme de nettoyage d’une paroi externe de la source lumineuse en contact avec le milieu de culture, ledit mécanisme comportant une paire d’aimants disposés d’un côté et de l’autre de ladite paroi externe de la source lumineuse, et étant entrainés par un système de poulies pour se déplacer le long de la source lumineuse.
En particulier, ledit système de poulies, et un aimant interne de ladite paire d’aimants peuvent être disposés à l’intérieur creux du tuyau de la source lumineuse, et le deuxième aimant de ladite paire d’aimants comporte un élément nettoyant en contact de la paroi externe de la colonne d’emplacement.
Le dispositif de l’invention peut également comporter l’une ou toute des caractéristiques ci-après, et dans toute combinaison techniquement opérable :
- la cuve de culture comporte un ou plusieurs capteurs de lumière supplémentaires, tel que des photorésistances configurées pour mesurer un flux lumineux en différentes zones d’un volume interne de ladite cuve de culture recevant du milieu de culture ;
- la cuve de culture est reliée à une cuve d’analyse intégrant des capteurs de pH, de nutriments, et un dispositif de mesure de la concentration cellulaire, tel qu’un turbidimètre ;
- l’unité de contrôle comporte une interface utilisateur et une application configurée pour afficher un ensemble de mesures des capteurs du dispositif communiquant avec ladite unité de contrôle, et permettant de configurer le mode d’éclairage de la source lumineuse ;
- le dispositif comporte une entrée inférieure de gaz, tel que de CO2, ladite entrée étant configuré pour injecter du gaz vers le haut de la cuve de culture, et de préférence le dispositif comporte des moyens de stérilisation d’air et de contrôle du débit d’injection d’air et son taux de CO2 ;
- la cuve de culture intègre une pluralité des sources lumineuses internes sous forme de tuyaux lumineux, chaque tuyaux lumineux définissant une zone éclairée à l’intérieur de la cuve de culture, et ledit dispositif comporte également un réseau de bullage de gaz comportant des sorties positionnées en dehors des zones éclairées et agissant comme moyen de brassage de milieu de culture.
L’invention concerne également un système de culture automatisé comportant un dispositif photo-bioréacteur comportant une cuve de culture, une cuve de mélange, une cuve de stockage d’eau, et une cuve de stockage de nutriments reliées entre elles par un circuit de tuyaux, et comportant une unité de contrôle comportant un processeur et une mémoire couplé audit processeur, et des instructions sauvegardées dans la mémoire et exécutées par le processeur pour contrôler les conditions opératoires dudit système de culture, caractérisé en ce que :
-la cuve de culture comporte une entrée reliée à la cuve de mélange pour son alimentation en milieu de culture, et
- la cuve de mélange comporte une entrée reliée à la cuve de stockage d’eau, une entrée reliée à la cuve de stockage de nutriments, des moyens de brassage, des moyens de réglage de la température, et des moyens de contrôle du pH, et en ce que
-le système est configuré pour préparer le milieu de culture dans la cuve de mélange à une concentration, température et pH programmables au moyen de ladite unité de contrôle, et
-le système comporte des moyens de transfert sous commande de l’unité de contrôle (tels qu’une pompe et un débitmètre ou une électrovanne) assignés à chacune des cuves du système pour activer et contrôler un volume de liquide ou de solide transféré entre lesdites cuves.
Cette configuration du système permet d’alimenter la cuve de culture avec un milieu de culture comportant une concentration, pH, et température contrôlée. Par exemple une culture déjà en cours dans le PBR ne sera pas stressée par l’apport de nouveau milieu de culture, ce dernier pouvant être fait à la même concentration, température et pH que le milieu dans la cuve de culture, ou au moins à des conditions proches.
De même, cette configuration permet de programmer l’unité de contrôle avec des programmes de culture automatisées comportant des instructions sauvegardées pour maintenir ou modifier certaines conditions de culture dans la cuve de culture. En particulier, dans ce mode de réalisation la cuve de culture est reliée à une cuve d’analyse en communication avec l’unité de contrôle et intégrant des capteurs de pH, d’au moins un nutriment, et un dispositif de mesure de la concentration cellulaire, tel qu’un turbidimètre. Ainsi, l’unité de contrôle comporte un programme avec des instructions sauvegardées pour activer l’introduction du milieu de culture contenu dans la cuve de mélange en fonction des paramètres mesurés dans la cuve d’analyse, tels qu’une concentration cellulaire, un pH ou une concentration de nutriments.
De préférence, la cuve de culture comporte également une entrée reliée à au moins une cuve de pH comportant une solution d’ajustement de pH, et une entrée de CO2reliée à une source de CO2, et l’unité de contrôle comporte un programme comportant des instructions sauvegardées pour réguler le pH dans ladite cuve de culture en commandant l’introduction de la solution de pH et/ou de CO2en activant des moyens de transfert assignés respectivement à ladite source de CO2et cuve de pH. Le mode de régulation de pH peut être choisi par l’utilisateur.
Dans un mode de réalisation du système, la cuve de culture comporte une sortie reliée à une cuve de récolte, et des moyens de transfert sous commande de l’unité de contrôle pour transférer un volume de liquide contenu dans la cuve de culture vers ladite cuve de récolte, et dans lequel l’unité de contrôle comporte un programme de culture permettant de définir un temps, une fréquence et un volume de liquide à extraire de ladite cuve de culture vers la cuve de récolte et/ou un volume de liquide à injecter dans ladite cuve de culture à partir de la cuve de mélange.
Le système de l’invention permet également la mise en marche automatique du système, y compris le nettoyage et le cycle de stérilisation des composants du système. A cette fin, les moyens de transfert entre les cuves sont bidirectionnels et l’unité de contrôle comporte un programme de rinçage comportant des instructions sauvegardées pour activer des moyens de transfert assignés à la cuve de stockage d’eau et injecter un liquide dans la cuve de mélange et rincer un ensemble des cuves du système de culture à partir dudit liquide injecté dans la cuve de mélange, en actionnant séquentiellement des moyens de transfert assignés à chacune desdites cuves du système dans un ordre préconfiguré, et pour vider le liquide injecté dans le système à partir de la cuve de récolte d’algues.
Avantageusement, un produit stérilisant peut être rajouté dans la cuve de stockage d’eau, ou éventuellement dans la cuve de mélange, et de sorte que le cycle de rinçage assure également la stérilisation du système. De préférence, l’unité de contrôle comporte un cycle de stérilisation dédié, et dans lequel il est défini un temps de passage du liquide stérilisant dans chaque cuve du système. Dans un autre mode de réalisation, la stérilisation est réalisée par injection d’un gaz ou vapeur dans les cuves et tuyaux du système.
De plus, le système comporte une interface utilisateur permettant de sélectionner un programme de culture avec une durée de culture, un volume et une fréquence d’injection et extraction de volume de milieu de culture dans et à partir de la cuve de culture, ainsi qu’affichant les mesures d’un ensemble de capteurs de température, de lumière de pH, de concentration cellulaire et de nutriments dudit système de culture. L’interface peut être reliée physiquement à l’unité de contrôle et/ou être une application dans un terminal mobile ou ordinateur.
Enfin, l’unité de contrôle comporte également un module de communication, et le système comporte un serveur distant hébergeant une base de données, ladite base de données comportant de programmes de fonctionnement du système de culture téléchargeables et exécutables par l’unité de contrôle. De préférence, le module de communication est configuré également pour transmettre à ladite base de données des données associées à un suivi d’une culture en cours pour son stockage et mise à disposition privé ou publique.
D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés.
[Fig. 6 Illustre schématiquement une vue de face d’un dispositif photo-bioréacteur intégrant plusieurs sources lumineuses selon l’invention.
Description détaillée de modes de réalisation de l’invention
La présente invention a comme but de proposer un nouveau photo-bioréacteur permettant une maitrise optimale de l’apport en lumière, ainsi qu’une utilisation optimale de cette dernière. Un autre objectif est que le photo-bioréacteur permette une étude approfondie et précis de paramètres de culture, tout en permettant une culture aisée et à haut rendement.
Un autre objectif est que le photo-bioréacteur soit apte à une culture automatisée en continu ou semi-continu des micro-organismes photosynthétiques, notamment les microalgues.
A cette fin l’invention propose un photo-bioréacteur pourvu d’une source lumineuse piloté par une unité de contrôle. La illustre un système de culture intégrant un photo-bioréacteur 100 selon l’invention, dit aussi dispositif 100 pour la culture de microorganismes photosynthétiques et comportant une cuve de culture C4 présentant une forme de colonne vertical. La cuve C4 définit un volume interne pour la culture desdits microorganismes et sa forme n’est limitée et peut avoir une section circulaire ou polygonale, tel que carrée.
La source lumineuse 2 est configurable en intensité, longueur d’onde, temps et mode d’éclairage et selon les paramètres souhaités par un utilisateur. Les modes d’éclairage programmables peuvent être i) continu, la source lumineuse est activée pour un temps indéfini, ii) intermittent, la source lumineuse est activée est désactivée selon des cycles d’activité et inactivité fixes ou variables, et iii) flash, la source lumineuse est activée à haute intensité pour une durée et avec une fréquence prédéfinies. Le photo bioréacteur permettra ainsi d’étudier l’effet du mode d’éclairage de manière précise et de le contrôler afin d’obtenir les meilleurs rendements de biomasse ou de production d’une molécule d’intérêt, soit d’optimiser la consommation d’énergie. Par exemple, il a été reconnu dans la littérature scientifique, que le mode d’illumination flash à haute intensité permet d’obtenir plus de 50% de réduction de consommation énergétique. De même, le mode flash peut avoir un effet sur les cinétiques de croissance et le métabolisme cellulaire.
De manière avantageuse, l’invention propose de contrôler l’intensité de la source lumineuse 2 au moyen d’une régulation analogique de type continue ( ). Ce type de régulation permet d’assurer un flux lumineux ne variant pas son voltage en fréquence, et donc véritablement continu. Ceci est particulièrement important avec l’utilisation de LED, ces derniers étant traditionnellement contrôlés en puissance par une modulation numérique PWM de type binaire avec fréquence, et qui se traduit dans le hachage du signal. C’est-à-dire, qu’avec la régulation PWM le signal lumineux est discontinu, et formé par des flashs lumineux non visibles à l’œil humain. Les microalgues sont toutefois capables de récolter la lumière à l’ordre du picoseconde, et sont donc sensibles à ces flashs lumineux invisibles à l’œil humain.
Pour que les micro algues puissent accéder à une lumière continue d’intensité constante, l’invention propose d’alimenter la source lumineuse par un courant continu ( ), et piloté par l’unité de contrôle selon une régulation analogique de puissance faisant varier l’intensité d’éclairage.
La illustre schématiquement le traitement du courant analogique par le module de régulation de puissance piloté par l’unité centrale 1 pour le contrôle de la source lumineuse 2. En particulier, l’unité centrale commande le réglage de la puissance de l’éclairage au moyen d’une régulation analogique, permettant de conserver un signal lumineux continu. Le mode d’éclairage flash est ensuite activé au moyen de préférence d’un module de régulation flash de préférence dédié et par une régulation numérique générique de type PWM. Par exemple la régulation analogique de la puissance peut être mise en œuvre au moyen du driver RCD-24-1.20, soit au moyen d’un transistor Mosfet tel que le IRLZ34NPBF accompagné d’une ou plusieurs résistances. Ce dernier composant peut être utilisé également comme module de régulation de flash. De préférence, un module de contrôle d’alimentation est également intégré en amont de la source lumineuse 2, permettant une vérification de la puissance fournie à ladite source lumineuse. Quel que soit le mode de réalisation, le contrôle de l’intensité lumineuse se fait par régulation analogique et le contrôle du mode flash par pilotage numérique
De préférence, le dispositif de l’invention comporte une fonction de rétrocontrôle de l’intensité lumineuse permettant de corriger l’apport en flux lumineux en temps réel. En particulier, la source lumineuse intègre un capteur de lumière configuré pour transmettre à l’unité de contrôle l’intensité lumineuse détectée en conditions d’opération, et de sorte que l’unité de contrôle modifie une commande de puissance du module de régulation pour que l’intensité lumineuse éclairée à un temps t soit égal à l’intensité lumineuse configurée. En effet, l’intensité lumineuse fourni par une LED est variable à une même puissance d’alimentation en fonction de la température ambiante. Une augmentation de la température se traduit ainsi dans une réduction de la quantité de flux lumineux apporté par une LED. Les couleurs de l’ambre au rouge dits « AlGalnP » apportés par des LEDs en aluminium gallium indium phosphide sont les plus sensibles à cette diminution de flux lumineux, et les couleurs allant du bleu au vert et du blanc (à base de « InGaN ») sont les moins sensibles. Par conséquent, un rétrocontrôle de l’apport en flux lumineux est très avantageux pour les cultures programmées avec des longueurs d’onde sensibles à ce phénomène, ou avec des variations programmées de longueurs d’onde.
Dans un mode de réalisation préféré, la source d’éclairage est configurable en longueur d’onde au moyen des LED multicanal, tel que des LED RGB permettant de régler une longueur d’onde en fonction de l’alimentation d’onde de chaque canal. Dans ce mode de réalisation, l’invention propose de mettre en œuvre un module régulateur de puissance pour chaque canal à alimenter de l’éclairage LED et de sorte à pouvoir paramétrer tous les canaux et créer un spectre d’émission sur mesure, notamment avec une fréquence et rapport cyclique spécifique. Un module de régulation flash et un module de contrôle d’alimentation est également intégré pour chaque canal à contrôler. Il est ainsi possible de contrôler l’intensité et un mode d’éclairage flash de chaque longueur d’onde programmé. Dans une autre variante de réalisation non illustrée, il est mis en œuvre un seul module de régulation flash placé en amont des modules de régulation de puissance, permettant ainsi de limiter le nombre de composants totaux. Ce dernier mode de réalisation est adapté lorsqu’un même signal flash est mis œuvre pour tous les canaux de LED.
Afin d’optimiser l’utilisation de la lumière, l’invention propose également de revêtir une surface interne de la cuve de culture C4 avec une couche réfléchissant de lumière, de sorte que la lumière non absorbée par le milieu de culture soit à nouveau dirigée vers le milieu de culture. De préférence, cette couche réfléchissante est présente sur toute la paroi interne verticale du réservoir, ou au moins sur une partie et de sorte à laisser une ou plusieurs fenêtres pour visualiser l’intérieur de la cuve de culture.
Selon le mode de réalisation illustré, le dispositif 100 intègre la source lumineuse 2 à l’intérieur de la cuve de culture C4 sous forme d’un tuyau lumineux émettant de la lumière à 360°, et s’étendant le long d’un axe central et longitudinal de la cuve de culture C4. Dans un autre mode de réalisation, la source d’éclairage peut être située à l’extérieur de la cuve de culture C4. La source lumineuse ( ) est composée par un tuyau 21 transparent comportant un intérieur creux intégrant des éléments lumineux 22 tels que des diodes électroluminescentes LED disposés autour d’une paroi dudit tuyau. Ces éléments lumineux sont par exemple intégrés sous forme d’un enroulement hélicoïdale ou sous forme de rubans verticaux.
L’invention propose également un système de nettoyage adapté à son utilisation avec une source lumineuse interne. Tel qu’illustré à la , le tuyau 21 creux de la source lumineuse héberge une partie du système de nettoyage 60 de la source lumineuse. Le système de nettoyage 60, comporte une paire d’aimants 26, 28 agencés d’une part et de l’autre des éléments lumineux. En particulier, un premier aimant 26 interne est réalisé sous forme d’une barre aimantée disposée à l’intérieur creux du tuyau 21 et étant entraîné le long du tuyau 21 par un système de poulies 24, dont un câble 25 de guidage suit un centre axial et longitudinal du tuyau 21. Le deuxième aimant 28 est situé d’un côté extérieur du tuyau 21 et comporte une paroi interne face à la source lumineuse et au premier aimant, ladite paroi interne étant pourvue au moins partiellement d’une couche nettoyante 29 dont la forme épouse le contour de ladite source lumineuse pour la nettoyer lors de son mouvement. De préférence, la paroi interne du deuxième aimant comporte également une portion280 sans couche nettoyante afin d’optimiser la force d’aimantation avec l’aimant interne. De préférence, le système de poulies 24 assurant le mouvement du système est entraîné par un ou plusieurs moteurs, et de sorte à automatiser le nettoyage d’une face extérieure de la source lumineuse 2.
Avantageusement, la source lumineuse 2 est conçue pour permettre le remplacement d’un élément lumineux et/ou le dépannage du système de nettoyage 60 sans compromettre la stérilité de la culture en cours. A cette fin, la source lumineuse comporte une colonne d’emplacement 27 hébergeant ledit tuyaux lumineux 21, ladite colonne d’emplacement s’étendant à partir d’un fond de la cuve de culture C4 et débouchant de manière étanche au niveau d’une fermeture 11 supérieure de la cuve de culture. Tel qu’illustré à droite de la , le tuyau 21 peut être extrait du réservoir sans compromettre l’étanchéité et la stérilité d’un volume interne de la cuve de culture. Des joints d’étanchéité sont donc prévus à la jonction de la colonne d’emplacement et la fermeture 11 de la cuve de culture, et les colonnes d’emplacement sont pourvues de fermetures indépendantes de la fermeture 11. Il est donc possible d’accéder à l’intérieur de la cuve d’emplacement en retirant uniquement la fermeture de la colonne d’emplacement, et si besoin extraire le tuyau lumineux et les éléments du système de nettoyage à son intérieur. Dans un mode de réalisation préféré, la fermeture de la cuve de culture comporte également de sous-ouvertures permettant l’extraction du deuxième aimant externe.
Un autre objectif de l’invention est d’optimiser le photo-bioréacteur pour permettre un suivi et un contrôle optimisé d’une culture de microorganismes photosynthétiques.
A cette fin le réservoir du dispositif peut comporter des moyens de régulation de la température implémentés comme une double enveloppe 3 configurée pour recevoir à son intérieure un fluide pour la régulation de la température. Cette double enveloppe est présente aux parois verticales de la cuve de culture. Tel qu’illustré sur la , les moyens de régulation de la température comportent une cuve de chauffage C5 extérieure pourvue des moyens de chauffage et/ou refroidissement 31 et une entrée 32 et sortie 33 de fluide relié à un espace interne de la double enveloppe. Dans un autre mode de réalisation, la cuve de culture intègre un serpentin extérieur ou intérieur comme moyen de régulation de température.
La cuve de culture C4 de l’invention est également pourvue d’au moins deux zones de prélèvement reliées par un circuit de conduits 44 à une cuve d’analyse 40 externe à ladite cuve de culture C4. Les zones de prélèvement peuvent être implémentés au niveau du réseau de bullage. La cuve d’analyse C8 comporte des capteurs de pH et de nutriments (glucose, minéraux, vitamines), et un dispositif de mesure de la concentration cellulaire. La concentration cellulaire est calculée de manière connue par rapport à la densité optique du milieu de culture, et au moyen d’un turbidimètre. Tel qu’illustré sur la , le prélèvement est fait à l’aide d’une pompe P, et le circuit de conduits 44 de prélèvement est configuré pour retourner le milieu de culture prélevé à la cuve de culture.
Afin de permettre un suivi approfondi des cinétiques de croissance dans le milieu de culture, la cuve de culture C4 intègre à son intérieur des photorésistances 5 permettant de mesurer un flux lumineux à différentes zones du milieu de culture, et reflétant la concentration cellulaire dans lesdites zones. Il est ainsi possible d’obtenir une cartographie 3D de la concentration cellulaire dans les différentes zones de la cuve de culture.
Le dispositif de l’invention peut également être adapté pour des grands volumes de culture. La cuve de culture a donc un volume plus important et l’invention propose d’intégrer une pluralité des sources lumineuses 2 à son intérieur afin d’éclairer ledit volume. La illustre schématiquement la géométrie d’un tel photo bioréacteur vue de face et la une section transversale vue du haut. Les sources lumineuses 2 sont positionnées de manière à que leurs zones éclairées 220 soient adjacentes et recouvrent le plus grand volume de milieu de culture possible. Lorsque les zones éclairées ne se chevauchent pas, des zones dites sombres 230 sont formées entre les zones éclairées 220. L’invention propose de configurer le réseau de bullage 6 d’injection de CO2pour que les sorties de gaz 61 soient positionnées au niveau des zones sombres 230, et le gaz injecté limite le temps de passage des microorganismes dans les zones sombres. Selon le mode de réalisation illustré, le réseau de bullage 6 forme un quadrillage horizontale, et les sorties de gaz 61 sont positionnées au niveau des coins du quadrillage. Dans ce mode de réalisation, les différentes sources lumineuses 2 peuvent être configurées avec des longueurs d’onde différents, et de sorte à permettre la culture des microorganismes avec des besoins différents.
Selon un objectif de l’invention, le photo-bioréacteur peut être conçu comme un système de culture comportant une pluralité de cuves permettant une culture automatisée ou semi-automatisée. Avantageusement, le système de culture est apte à la culture automatisée de microorganismes exigeants ou sensibles, et pour tout type de culture, tel qu’en continu, en lot ou en lot alimenté « fed batch ». L’invention propose notamment un système de culture évitant les changements brutaux des conditions de culture lors des additions de composés à la cuve de culture C4.
A ces fins, le système de l’invention comporte une cuve de mélange C3 configurée pour préparer préalablement le milieu de culture à injecter dans la cuve de culture C4. La cuve de mélange comporte notamment des moyens de brassage, des moyens de chauffage tels que des tapis chauffants TC1, TC2, des moyens d’ajustement de pH C10, C11, un capteur de température T1, et une cuve d’analyse C5 de milieu de culture intégrant au moins un capteur de pH. Avantageusement, l’unité de contrôle permet d’actionner et contrôler l’ensemble des moyens de la cuve de mélange, et de sorte à définir et contrôler un volume, une concentration, une température et pH du milieu de culture à préparer et à injecter dans la cuve de culture. La culture dans le PBR ne sera donc pas stressée par l’apport de nouveau milieu de culture, ce dernier pouvant être fait à la même concentration, température et pH que le milieu dans la cuve de culture, ou au moins à des conditions proches.
En particulier, le système comporte une cuve de stockage d’eau C1 pourvue d’une arrivée d’eau courant et une sortie vers un système de stérilisation, par exemple à lumière UV, et permettant de faire un apport d’eau stérile vers la cuve de mélange C3. De plus, la cuve de stockage d’eau C1 permet l’évaporation de certaines molécules indésirables comme le chlore.
Le système comporte également des cuves de pH C10, C11 pour le stockage des solutions d’ajustement de pH, ces dernières étant reliées à la cuve de mélange C3 et/ou directement à la cuve de culture C4 pour l’injection de solutions d’ajustement de pH dans ces dernières. Le système comporte également une cuve molécule C7 pour le stockage de nutriments et injection de micronutriments tel que des molécules carbonées, minéraux, vitamines et d’autres composés d’intérêt. Le système de culture comporte également un module ou cuve de récolte C6 reliée à une sortie de la cuve de culture C4, et permettant de prélever tout ou partie du milieu de culture.
Comme illustré à la , les transferts de liquide entre les différentes cuves est assuré par des moyens de transfert comportant au moins une pompe P, un débitmètre D ou une électrovanne EV sous contrôle de l’unité de contrôle et étant assignés à chacune des cuves du système. Le dispositif comporte également, une cuve de stockage de nutriments C2 configurée pour transférer des nutriments liquides à une cuve de mélange C3. Dans un autre mode de réalisation, le milieu de culture est préparé à partir des nutriments en phase solide, et les moyens de transfert assignés à la cuve de stockage de nutriments C2 sont de type doseur à vis sans fin, et/ou la cuve de stockage réalisé sous forme de doseur gravimétrique différentiel.
Quelque soit le mode de réalisation, l’unité de contrôle comporte un processeur et un programme d’instructions sauvegardées dans une mémoire couplée audit processeur, lesdites instructions étant exécutées par le processeur pour contrôler les conditions opératoires dudit système de culture. Le système est conçu notamment pour le monitoring et le contrôle de la quantité et la vitesse de transport de liquide ou solide entre les cuves avec un maintien des variables dans certaines cuves (température, pH…etc.). L’unité de contrôle est par exemple un automate central modèle i3CL12Y/10D14-SEHF ou SMT_CD_R20.
Le système comporte également une interface utilisateur permettant la sélection des conditions opératoires du système et le monitoring de son fonctionnement, ladite interface étant conçue pour afficher :
- un ensemble des cuves (litrage) ainsi que les flux (débit) de transfert entre les cuves ;
-une intensité de l’éclairage (en lumen et en micromole de photon par s et m2) temps d’éclairage, flash ;
-une graphique de la turbidité ou concentration cellulaire en fonction du temps ;
-une graphique de la photorésistance en fonction du temps ;
-une valeur du ph et de la température des cuves ;
-une graphique de la conductimétrie en fonction du temps ;
- un pourcentage de CO2dans le milieu dans la cuve de culture C4 et le taux d’injection de CO2;
- une valeur de divers composants tels que le sucre
- un ratio de CO2absorbé par rapport au CO2injecté.
De même, toutes les valeurs pH, débit, température, intensité de lumière et mode d’éclairage sont modifiables dans un même cycle de fonctionnement sur cette interface.
Avantageusement, le système comporte différents cycles permettant l’automatisation d’une culture, et ceci en incluant les cycles de démarrage, de lavage, de rinçage, et de démarche et arrêt d’une culture cellulaire.
Des exemples de ces cycles sont données ci-après de manière non limitative :
Cycle 1 : Initialisation des volumes fonctionnelles par rapport à des capteurs de niveau des cuves du système :
- État initial : En attente.
- Bouton : Initialisation volume.
- Remplissage de C1, C4 (avec C8), C2,C3 (avec C9) jusqu’au signal du capteur de niveau CNC1, CNC3, CNC4.
- Enregistrement du volume de liquide associer aux capteurs de niveau/cuve.
- Fin.
Cycle 2 : lavage javel (ou autre produit stérilisant)
- État initial : En attente
- Bouton : Stérilisation
- Remplissage de X litres de javel dans la cuve de stockage d’eau C1 à indiquer à l’unité de contrôle par l’opérateur.
- Remplissage de cuve de mélange C3 et à partir de la cuve de stockage d’eau C1
- Remplissage de la cuve de stockage de nutriments C2 et à partir de la cuve de mélange d’eau C3.
- Déclenchement d’une pompe de brassage de la cuve de stockage de nutriments C2.
- Remplissage de la cuve de mélange C3 et à partir de la cuve de stockage d’eau C1 + activation de la pompe P3 alimentant la cuve d’analyse C9 (après un certain litrage dans la cuve de mélange C3 définis par l’opérateur).
- Déclenchement pompe brassage de la cuve de mélange C3
- Stérilisation tuyaux pH (P9-P10) reliant les cuves de pH (C9, C10)
- Remplissage cuve de culture C4 (+ activation de la pompe P8 assigné à la cuve d’analyse C8 après un certain litrage dans la cuve de culture C4) à partir de la cuve de mélange C3
- Stérilisation tuyau relié à la cuve de culture C4
-Vidage cuve de culture C4 à partir de la cuve de récolte C6
-Arrêt pompe P8
-Vidage cuve de mélange C3 dans cuve de culture C4 + activation de la pompe P8
-Vidage C4 + arrêt pompe P8
-Fin
Cycle 3 : Rinçage
-État initial : En attente
-Bouton : Rinçage
-Remplissage de X L d’eau à indiquer à l’automate par l’opérateur. (cuve pH, Molécule)
-Remplissage C1 jusqu’au capteur de niveau.
-Remplissage C3 d’eau et activation pompe de brassage
-Remplissage C2 d’eau à partir de la cuve C3 et activation pompe de brassage
-Remplissage cuve de mélange C3 à partir de cuve de stockage de nutriments C2
-Vidage cuves de pH C10, C11 dans cuve de mélange C3 et vidage du surplus dans cuve de culture C4 pour cuve de mélange C3
-Remplissage de cuve de culture C4 (+ activation pompe P8) à partir de cuve de mélange C3.
-Vidage cuve de culture C4
-Arrêt pompe P8
-Vidage cuve molécule dans cuve de culture C4 et vidage de cuve de culture C4
-S’il reste de l’eau dans les cuves, vidage dans cuve de mélange C3
-Vidage cuve de mélange C3 dans cuve de culture C4 et Vidage cuve de culture C4 dans cuve de récolte C6
-Fin
Cycle 4 : Mise en marche début de la culture cellulaire
-État initial : En attente
-Bouton : Start
-Remplissage de la cuve de stockage d’eau C1 en eau jusqu’au capteur de niveau CNC1
-Remplissage de la cuve de stockage de nutriments C2 par un opérateur d’une quantité X de liquide à indiquer à l’automate.
-Actionnement des pompes de brassage cuve C2
-L’opérateur indique la dilution souhaitée du liquide de C2 avec l’eau de C1 dans la cuve de mélange C3.
-Mélange (+ actionnement pompe de brassage à partir d’un niveau X de liquide indiqué à l’automate) dans la cuve de mélange C3 jusqu’au remplissage (capteur de niveau CNC3 OU volume donné par l’opérateur) selon la dilution souhaitée avec l’option d’activation du filtre UV (oui OU non). Visualisation des débits et modification possible.
-Actionnement 2 tapis chauffant TC1, TC2 de la cuve de mélange C3 jusqu’à la température de consigne indiqué par l’opérateur
-Allumage des sources lumineuses 2 dans la cuve de culture C4 à l’intensité choisie, affichage de la mesure d’intensité donnée par la photorésistance.
-Remplissage par l’opérateur de X L d’algues dans cuve de culture C4 à indiquer à l’unité de contrôle.
-Activation pompe P8
-Remplissage de la cuve de culture C4 à partir de cuve de mélange C3 avec un débit Y choisi jusqu'au capteur de niveau CNC4 ou volume choisi.
-Pendant le remplissage de la cuve de culture C4 par le milieu contenu dans la cuve de mélange C3 :
-Remplissage de la double enveloppe de la cuve de culture C4et chauffage de la cuve de chauffage C5 jusqu’à la température de consigne. Maintien de cette fonction durant le process.
-Activation de l’arrivée du mélange Co2/ air à la concentration en C02donné par l’opérateur. Maintien de cette fonction durant le process
-Activation du pH-mètre, régulation du pH (pH de consigne) : Deux modes au choix : réguler avec cuve PH (liquide basique OU Acide indiqué par l’opérateur) OU régulation grâce à l’arrivée de Co2 (le CO2 baisse le pH). Maintien de cette fonction durant le process.
-Activation du turbidimètre/spectrophotomètre et conductimètre + d’autre capteur éventuelle
-Vidage de la cuve de culture C4 selon 2 modes : Mode renouvellement de x pourcents par jour avec réglage du débit OU vidage de X L à intervalle de temps donné.
-Le milieu de la cuve de mélangeC3 sera renouvelé lorsque le niveau passera en dessous d’un seuil choisi par l’opérateur jusqu'à qu’il atteigne son capteur de niveau CNC3 OU le volume choisi par l’opérateur.
-Injection d’une molécule à partir de la cuve de molécules C7 si instructions de l’opérateur.
Le système de l’invention est donc très avantageux en ce qu’il est conçu pour faciliter l’ensemble des taches nécessaires à un utilisateur pour effectuer une culture cellulaire, et nécessite une intervention minimale de l’utilisateur. D’autre part, le système est conçu pour avoir un contrôle très précis des conditions de culture et est donc très avantageux pour la culture expérimentale et la recherche sur les microorganismes photosynthétiques. En effet, le système permet un paramétrage total et précis des conditions de culture, et notamment du mode d’éclairage.
Le système de l’invention permet donc l’obtention de hauts rendements de production de biomasse. De même, sa grande autonomie, sa capacité à absorber le CO2ainsi que son grand rendement en matière nutritive permettent de pouvoir envisager ce système de culture dans des colonies spatiales. En effet, les contraintes spatiales sont en adéquation avec les capacités que peuvent offrir ce bioréacteur soit un grand rendement surfacique, une capacité de recyclage du CO2des astronautes et de leur déchet (urine fèces etc…) ou encore la capacité à pouvoir cultiver les algues sans contamination du milieu extérieur.
Nous pouvons envisager un autre type d’utilisation plus terre-à-terre comme système de culture produisant de l’alimentation dans des espaces peu propices à la culture végétale standard. Il peut être par exemple utilisé dans le cadre de pays en sous-nutrition comme une installation autonome qui fournira les besoins alimentaires du secteur. Bien entendu, le système peut également être relié à une installation polluante et récupérer le CO2émis par cette installation.
Claims (19)
- Dispositif (100) photo-bioréacteur, ledit dispositif (100) comportant une cuve de culture (C4), une source lumineuse (2) à diodes électroluminescents LED, un module de régulation de puissance de ladite source lumineuse (2) et une unité de contrôle (1), caractérisé en ce que :
-la source lumineuse (2) est configurable en intensité, et de préférence en longueur d’onde au moyen dudit module de régulation de puissance piloté par ladite unité de contrôle (1), et
-le module de régulation est alimenté par un courant continu et mets en œuvre une régulation analogique pour contrôler une puissance d’alimentation de la source lumineuse (2) faisant varier l’intensité lumineuse. - Dispositif (100) selon la revendication 1, dans lequel la source lumineuse (2) est configurable selon un mode d’éclairage flash, et le dispositif comporte un module de régulation flash mettant en œuvre une régulation numérique pilotée par l’unité de contrôle (1), tel que de type PWM, pour activer et désactiver ladite source lumineuse (2)
- Dispositif selon l’une de revendications précédentes, dans lequel la source lumineuse est configurable en longueur d’onde et de manière variable sur un cycle de fonctionnement, et le dispositif comporte un module de régulation de puissance sous commande analogique pour chaque canal alimentant un ou des LED de ladite source lumineuse.
- Dispositif (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la source lumineuse (2) comporte au moins un capteur de lumière en communication avec ladite unité de contrôle (1), et cette dernière met en œuvre un rétrocontrôle d’une commande de puissance d’alimentation de la source lumineuse (2) en fonction d’un flux lumineux mesuré par ledit capteur de lumière, et dans lequel ladite cuve de culture comporte de préférence une ou des parois revêtues d’une couche réfléchissante agencée pour réfléchir la lumière de ladite source lumineuse.
- Dispositif (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite source lumineuse (2) est intégrée à l’intérieur de la cuve de culture (C4) sous forme d’un tuyau lumineux (21) vertical, et la source lumineuse (2) comporte une colonne d’emplacement (27) s’étendant à partir d’un fond de la cuve de culture (C4) et débouchant de manière étanche au niveau d’une fermeture supérieure (11) de ladite cuve de culture, et dans lequel le tuyaux lumineux (21) est hébergé à l’intérieur de ladite colonne d’emplacement (27), et une ouverture supérieure de la colonne d’emplacement (27) est configurée comme une ouverture refermable indépendante, et permettant de conserver l’étanchéité d’un volume interne de la cuve de culture (C4) lors de son ouverture.
- Dispositif (100) selon l’une des revendications précédentes, comportant un mécanisme de nettoyage (60) d’une paroi externe de la source lumineuse (2) en contact avec le milieu de culture, ledit mécanisme de nettoyage (60) comportant une paire d’aimants (26,28) disposés d’un côté et de l’autre de ladite paroi externe de la source lumineuse (2), et étant entrainés par un système de poulies (24) pour se déplacer le long de la source lumineuse (2).
- Dispositif (100) selon les revendications 5 et 6, dans lequel ledit système de poulies (24), et un aimant interne (26) de ladite paire d’aimants sont disposés à l’intérieur creux du tuyau lumineux (21) de la source lumineuse, et le deuxième aimant (28) de ladite paire d’aimants comporte un élément nettoyant (29) en contact de la paroi externe de la colonne d’emplacement (27).
- Dispositif (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la cuve de culture (C4) comporte un ou plusieurs capteurs de lumière (5) supplémentaires configurées pour mesurer un flux lumineux en différentes zones d’un volume interne de ladite cuve de culture (C4) recevant du milieu de culture.
- Dispositif (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la cuve de culture (C4) est reliée à une cuve d’analyse (C8) intégrant des capteurs de pH, de nutriments, et un dispositif de mesure de la concentration cellulaire, tel qu’un turbidimètre.
- Dispositif (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’unité de contrôle (1) comporte une interface utilisateur et une application configurée pour afficher un ensemble de mesures des capteurs du dispositif, et permettant de configurer le mode d’éclairage de la source lumineuse (2).
- Dispositif (100) selon l’une de revendications précédentes, comportant une entrée inférieure de gaz 40, tel que de CO2,ladite entrée étant configuré pour injecter du gaz vers le haut de la cuve de culture, et de préférence le dispositif comporte des moyens de stérilisation d’air et de contrôle du débit d’injection d’air et son taux de CO2.
- Dispositif (100) selon l’une de revendications précédentes, dans lequel la cuve de culture (C4) intègre une pluralité des sources lumineuses (2) internes sous forme de tuyaux lumineux (21), chaque tuyau lumineux définissant une zone éclairée (220) à l’intérieur de la cuve de culture, et ledit dispositif comporte également un réseau de bullage de gaz (6) comportant des sorties (61) positionnées en dehors des zones éclairées (220) et agissant comme moyen de brassage de milieu de culture.
- Système de culture automatisé comportant un dispositif photo-bioréacteur comportant une cuve de culture tel que le dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 12, ledit système comportant également une cuve de mélange (C3), une cuve de stockage d’eau (C1), et une cuve de stockage de nutriments reliées entre elles par un circuit de tuyaux, et comportant une unité de contrôle comportant un processeur et une mémoire couplé audit processeur, et des instructions sauvegardées dans la mémoire et exécutées par le processeur pour contrôler les conditions opératoires dudit système de culture,caractérisé en ce que:
-la cuve de culture (C4) comporte une entrée reliée à la cuve de mélange (C3) pour son alimentation en milieu de culture, et
- la cuve de mélange (C3) comporte une entrée reliée à la cuve de stockage d’eau (C1), une entrée reliée à la cuve de stockage de nutriments (C2), des moyens de brassage, des moyens de réglage de la température, et des moyens de contrôle du pH (C10, C11), et en ce que
-le système est configuré pour préparer le milieu de culture dans la cuve de mélange (C3) à une concentration, température et pH programmables au moyen de de ladite unité de contrôle (1), et
-le système comporte des moyens de transfert sous commande de l’unité de contrôle (1) et étant assignés à chacune des cuves du système pour activer et contrôler un volume et un débit de liquide ou solide transféré entre lesdites cuves. - Système de culture selon la revendication 13, dans lequel la cuve de culture (C4) est reliée à une cuve d’analyse (C8) en communication avec l’unité de contrôle (1) et intégrant des capteurs de pH, d’au moins un nutriment, et un dispositif de mesure de la concentration cellulaire, tel qu’un turbidimètre, dans lequel système l’unité de contrôle (1) comporte un programme avec des instructions sauvegardées pour activer l’introduction du milieu de culture contenu dans la cuve de mélange (3) en fonction des paramètres mesurés dans la cuve d’analyse (C8), tels qu’une concentration cellulaire, un pH ou une concentration de nutriments.
- Système de culture selon l’une des revendications 13 à 14, dans lequel la cuve de culture comporte une entrée reliée à au moins une cuve de pH (C10) comportant une solution d’ajustement de pH, et une entrée de CO2(40) reliée à une source de CO2, et dans lequel l’unité de contrôle comporte un programme comportant des instructions sauvegardées pour réguler le pH dans ladite cuve de culture (C4) pour injecter de la solution de pH et/ou de CO2en activant des moyens de transfert assignés respectivement à ladite source de CO2et cuve de pH.
- Système de culture selon l’une des revendications 13 ou 14, dans lequel la cuve de culture (C4) comporte une sortie reliée à une cuve de récolte (C6), et des moyens de transfert sous commande de l’unité de contrôle (1) pour transférer un volume de liquide contenu dans la cuve de culture (C4) vers ladite cuve de récolte (C6), et dans lequel l’unité de contrôle (1) comporte un programme de culture permettant de définir un temps, une fréquence et un volume de liquide à extraire de ladite cuve de culture (C4) vers la cuve de récolte (C6) et/ou un volume de liquide à injecter dans ladite cuve de culture (C4) à partir de la cuve de mélange (C3).
- Système de culture selon la revendication 16 , dans lequel les moyens de transfert entre les cuves sont bidirectionnels et l’unité de contrôle (1) comporte un programme de rinçage comportant des instructions sauvegardées pour activer des moyens de transfert assignés à la cuve de stockage d’eau (C1) et injecter un liquide dans la cuve de mélange (C3) et rincer toutes les autres cuves du système de culture (C2, C4, C5, C7, C8, C9 C10,C11) à partir dudit liquide injecté dans la cuve de mélange, en actionnant séquentiellement des moyens de transfert assignés à chacune desdites cuves du système dans un ordre préconfiguré, et pour vider le liquide de rinçage injecté dans le système à partir de la cuve de récolte d’algues.
- Système de culture selon l’une des revendications 13 à 16, ledit système comportant une interface utilisateur permettant de sélectionner un programme de culture avec une durée de culture, un volume et une fréquence d’injection et extraction de volume de milieu de culture dans et à partir de la cuve de culture et avec un débit contrôlable, ainsi qu’affichant les mesures d’un ensemble de capteurs de température, de lumière, de pH, de concentration cellulaire et de nutriments dudit système de culture.
- Système de culture selon l’une des revendications 13 à 17, dans lequel l’unité de contrôle (1) comporte un module de communication, et le système comporte un serveur distant hébergeant une base de données, ladite base de données comportant de programmes de fonctionnement du système de culture téléchargeables et exécutables par l’unité de contrôle.
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100190227A1 (en) | 2007-06-01 | 2010-07-29 | Wacker Chemie Ag | Photoreactor |
| GB2469085A (en) * | 2009-04-01 | 2010-10-06 | Uws Ventures Ltd | Photobioreactor with multiple LED arrays for homogenous illumination |
| CN102352304A (zh) * | 2011-09-26 | 2012-02-15 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种光强在线调控的气升式光生物反应器 |
| US20120252103A1 (en) * | 2009-10-27 | 2012-10-04 | Arthur Deane | Apparatus, method and system for algae growth |
| US20130102076A1 (en) * | 2011-10-24 | 2013-04-25 | Jason D. LICAMELE | Systems and methods for growing photosynthetic organisms |
| CN112920952A (zh) * | 2021-03-25 | 2021-06-08 | 广东轻工职业技术学院 | 光合生物培养装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113512489A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-10-19 | 南京农业大学 | 一种闪光照明式微藻生物膜反应器及微藻培养方法 |
-
2022
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-
2023
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100190227A1 (en) | 2007-06-01 | 2010-07-29 | Wacker Chemie Ag | Photoreactor |
| GB2469085A (en) * | 2009-04-01 | 2010-10-06 | Uws Ventures Ltd | Photobioreactor with multiple LED arrays for homogenous illumination |
| US20120252103A1 (en) * | 2009-10-27 | 2012-10-04 | Arthur Deane | Apparatus, method and system for algae growth |
| CN102352304A (zh) * | 2011-09-26 | 2012-02-15 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种光强在线调控的气升式光生物反应器 |
| US20130102076A1 (en) * | 2011-10-24 | 2013-04-25 | Jason D. LICAMELE | Systems and methods for growing photosynthetic organisms |
| CN112920952A (zh) * | 2021-03-25 | 2021-06-08 | 广东轻工职业技术学院 | 光合生物培养装置 |
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