DOMAINE TECHNIQUE GENERAL

L'invention concerne la culture intensive et continue de micro-organismes photosynthétiques.

Plus précisément, elle concerne un photobioréacteur destiné à une telle culture.

ETAT DE L'ART

Les microalgues sont des organismes végétaux photosynthétiques dont le métabolisme et la croissance nécessitent entre autres du CO ₂ , de la lumière et des nutriments.

La culture industrielle de microalgues connaît de nombreuses applications.

Les microalgues peuvent être cultivées pour valoriser et purifier les rejets en dioxyde de carbone, NOx et/ou SOx de certaines usines (WO 2008042919).

L'huile extraite des microalgues peut être utilisée comme biocarburant (WO2008070281, WO2008055190, WO2008060571).

Les microalgues peuvent être cultivées pour leur production d'oméga-3 et d'acides gras polyinsaturés.

Les microalgues peuvent également être cultivées pour produire des pigments.

Classiquement, la culture industrielle de microalgues à grande échelle utilise le soleil comme source de lumière. Pour ce faire, les microalgues sont souvent placées dans des bassins ouverts (« raceways ») avec ou sans circulation (US2008178739). On trouve également des photobioréacteurs tubulaires ou à plaques, constitués de matériaux translucides, permettant le passage des rayons lumineux dans le milieu de culture et dans lesquels les microalgues circulent (FR2621323). D'autres systèmes de réseaux de tubes transparents en trois dimensions permettent d'améliorer l'exploitation de l'espace (EP0874043).

Ces installations sont extrêmement volumineuses et les rendements de production sont faibles étant donné les aléas d'éclairement du soleil et les phases de nuit néfastes à la croissance des microalgues.

Afin de réduire l'encom brement et d'améliorer le rendement, des photobioréacteurs fermés ont été mis au point. Ils utilisent quant à eux la disponibilité d'un éclairage artificiel 24h/24 et 7 jours/7, cet éclairage pouvant être interrompu suivant des séquences propres aux cycles biologiques des algues concernées.

En effet, le facteur crucial de l'augmentation de la biomasse des microalgues est la lumière, aussi bien en termes de quantité que de qualité puisque bien qu'absorbant l'ensemble des photons du spectre visible, les micro-algues absorbent particulièrement avec des pertes minimales uniquement certaines longueurs d'ondes de la lumière blanche.

Un photobioréacteur est défini comme un système clos à l'intérieur duquel il y a production de matière biologique sous l'action de l'énergie lumineuse, cette production est par ailleurs optimisable en maîtrisant les conditions de culture : nutriments, hydrodynamique du milieu, transferts gazeux, vitesse de circulation du liquide, etc.

L'adaptation de la lumière, flux et longueur d'onde à l'espèce de microalgue est un facteur important de l'optimisation de la production.

D'une façon générale on comprend que la production dépende directement de la qualité de l'éclairage dans le volume du photobioréacteur. Il est nécessaire que l'ensemble du liquide biologique soit correctement éclairé avec une énergie moyenne optimale. Par conséquent il faut que l'interface entre les 'sources lumineuses' et le liquide biologique soit la plus grande possible tout en maximisant le volume utile du liquide biologique. Pour fixer les idées on notera qu'à des concentrations d de l'ordre du gramme par litre, la lumière est absorbée au bout de λ = 0.5cm . Pour un réacteur d' 1 m ³ , avec une surface de 1 m ² d'éclairement (source de lumière plane de 1 m ² ), le volume de liquide biologique concerné sera seulement de 1 /200 m ³ . Le réacteur idéal serait tel que le volume éclairé soit égal au volume du réacteur. Plus généralement le facteur de qualité d'un réacteur peut se définir par la relation : Q = SA/V ₀ , où S est la surface éclairée (à la bonne puissance) dans le volume V ₀ du réacteur, et λ la profondeur de pénétration de la lumière.

V _e étant le volume des éléments éclairants dispersés dans le réacteur la production en Masse M peut s'exprimer par la relation : M= (V ₀ - V _e ) d

Ces deux relations doivent être maximisées simultanément.

D iverses tentatives technolog iq ues pour chercher cette doub le optimisation ont été proposées dans le passé, mais se sont heurtées à des difficultés décrites plus loin:

Une première solution d'éclairage artificiel pour résoudre ce problème consiste à amener la lumière d'une source lumineuse dans le milieu de culture à proximité des m icroalgues à l'aide de fibres optiques (U S61 56561 et EP0935991 ).

Les fi bres optiques peuvent être associées à d' autres m oyens immergés guidant la lum ière à l' intérieur de l'enceinte (J P2001 1 78443 et DE29819259).

L'inconvénient majeur est que cette solution ne permet d'atteindre que des rendements (lum ière produ ite)/(lum ière efficace) faibles. En effet, l'intensité est réduite du fait des interfaces entre les sources lumineuses et le guide d'onde et il est difficile de coupler plus d'une source lumineuse sur la même fibre. En outre, un problème se pose dès lors que l'on utilise plusieurs longueurs d'ondes différentes : En effet pour sortir la lum ière des fibres optiques immergées dans le milieu de culture, il est nécessaire de faire un traitement de surface (rugosité), qui diffusera ou diffractera une fraction de la lumière guidée. La solution la plus efficace consiste à graver un réseau à la périphérie de la fibre avec un pas qui est de l'ordre de la longueur d'onde de la lumière véhiculée. Cette solution a une bande passante étroite et est totalement inadaptée quand on utilise plusieurs longueurs d'ondes. Une autre solution d'éclairage artificiel pour résoudre ce problème consiste à immerger directement des sources lumineuses dans l'enceinte du photobioréacteur, comme par exemple des lampes fluorescentes (US 5, 104,803) ou des LEDs (Light Emitting Diode) (DE202007013406 et WO2007047805).

Cette solution permet d'améliorer le rendement énergétique du procédé d'éclairage car les sources lumineuses sont plus proches et mieux couplées au milieu de culture.

Toutefois, l'utilisation de sources lumineuses introduites au sein du réacteur, en particulier des LEDs, doit se faire en tenant compte de deux autres problèmes majeurs.

Le premier est inhérent à la géométrie d'émission des LEDs car leur diagramme d'ém ission énergétique est directif et suit un profil lambertien. Seules les algues se trouvant dans le faisceau seront éclairées, l'angle solide du cône d'émission étant typiquement de 90°, les trois quarts de l'espace autour d'une LEDs ne sera pas éclairé par cette dernière. On note que la situation sera sensiblement identique pour un éclairage par extrémités de fibres optiques immergées.

De surcroit, on notera que le faisceau d'émission d'une LED étant lambertien, les algues en passant dans le faisceau d'émission recevront un flux de photons inhomogène.

De même, quand on utilise des LEDs pour éclairer une paroi interne au réacteur (type caloduc) (voir brevet DE202007013406) on ne peut pas obtenir un flux photonique homogène dans le bain de culture.

Pour atténuer les zones d'ombres, on pourrait multiplier les sources lumineuses dans l'enceinte et les implanter suffisamment proches les unes des autres Ce faisant se pose alors un second problème critique lié à la gestion de la thermique du réacteur qui doit être contrôlée à quelques degrés près, et qui dépend de la nature de l'algue. En effet, et pour des composants usuels, tels qu'on les trouve sur le marché actuellement, les trois quarts de la puissance électrique injectée dans les LEDs se dissipent thermiquement. Cette gestion de la thermique constitue le deuxième problème majeur qu'il est nécessaire de résoudre. Il est inhérent à ces structures de réacteurs de première génération, indépendamment du type de sources lumineuses utilisées. La dispersion d'un grand nombre de sources de lum ière dans le volume du réacteur pose aussi très vite un problème de connectique électrique, auquel s'ajoute le problème du coût du photobioréacteur si les sources lumineuses doivent être multipliées en grand nombre.

En résumé, l'obtention d'un front d'éclairage homogène en intensité dans le volume de croissance du réacteur est un problème non résolu actuellement. La seule voie envisagée pour approximer un front homogène est de multiplier les sources à l'intérieur du réacteur, ce qui conduit à des problèmes inextricables de gestion de la thermique.

Afin de régler ces problèmes, les inventeurs ont découvert une nouvel le façon particul ièrement efficace de guider et diffuser dans le photobioréacteur la lumière produite par des LEDs externes.

Les sources lumineuses n'ont plus besoin d'être placées à l'intérieur de l'enceinte, ce qui facilite grandement la régulation thermique. Le guide de lumière diffusant utilisé permet en outre une diffusion particulièrement uniforme et homogène de la lum ière, et s'adapte à toutes les longueurs d'onde intéressantes pour la culture des microalgues.

PRESENTATION DE L'INVENTION

Par conséquent, l'objet de l'invention concerne selon un premier aspect un photobioréacteur destiné à la culture notamment en continu de microorganismes photosynthétiques, de préférence de microalgues, comprenant au moins une enceinte de culture destinée à contenir le milieu de culture des microorganismes, et au moins une source lumineuse extérieure à l'enceinte de culture, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un élément diffuseur de lumière cylindrique ou prismatique placé dans l'enceinte de culture, l'élément diffuseur de lumière étant couplé optiquement à la source lumineuse de façon à capter les photons émis par la source lumineuse et les restituer dans le milieu de culture par sa surface latérale.

Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives :

· l'élément diffuseur de lumière est un élément plein en un matériau transparent n'absorbant pas la lumière, à l'extrémité duquel la source lumineuse est placée ;

• l'élément diffuseur de lumière comprend des inclusions constituées d'un matériau partiellement diffusant ;

· l'interface entre la source lumineuse et l'élément diffuseur de lumière est traitée avec une graisse optique favorisant la transmission des photons ;

• l'élément diffuseur de lum ière est un élément creux en un matériau transparent, à l'extrémité duquel la source lumineuse est placée ;

• une couche semi-réfléchissante est disposée sur la face interne de l'élément diffuseur de lumière ;

• une couche semi-réfléchissante est disposée sur la face externe de l'élément diffuseur ;

• la ou les couches semi-réfléchissantes est en un matériau métallique ou un oxyde métallique, d'indice optique plus élevé que l'indice du matériau constituant l'élément diffuseur, préférentiellement de l'aluminium ;

• l'épaisseur de la ou les couches semi-réfléchissantes dim inue en s'éloignant de la source lumineuse ;

• l'élément diffuseur de lumière est en polyméthacrylate de méthyle ;

• la source lum ineuse est une source quasi-ponctuelle, et l'élément diffuseur de lumière est un tube diffuseur ; • la source lumineuse est une source linéaire, et l'élément diffuseur de lumière est un parallélépipède diffuseur ;

• la source l um i neuse est une (ou un ensemble de) diode(s) électroluminescente(s) (LED) quasi-ponctuelle(s) ou en ruban, de préférence une (ou un ensemble de) diode(s) électroluminescente(s) de puissance (HPLED) ;

• une lentille convergente est placée à l'interface entre la LED et l'élément diffuseur de lumière ;

• un système optique dont la face intérieure est réfléchissante entoure la LED ;

• l'extrém ité de l'élément diffuseur de lum ière opposée à la source lumineuse est pourvue d'un miroir ;

• l'extrém ité de l'élément d iffuseur de lum ière opposée à la source lumineuse est en forme de cône ou de dôme ;

· la surface externe de l'élément diffuseur de lumière présente une rugosité adaptée améliorant la diffusion de la lumière ;

• la surface externe de l'élément diffuseur de lumière est encapsulée dans une gaine protectrice ;

• l'élément diffuseur de lumière comprend un racleur de nettoyage entourant la gaine ;

• le photobioréacteur comprend un système de refroidissement des sources lumineuses ;

• le photobioréacteur comprend un système de génération de bulles à la base du milieu de culture.

U n d e ux i è m e a s p ect d e l' invention concerne l'utilisation d'un photobioréacteur selon le premier aspect de l'invention, pour cultiver des micro-organismes photosynthétiques, de préférence des microalgues.

Un troisième objet de l'invention concerne l'utilisation d'un élément diffuseur de lumière cylindrique ou prismatique couplé optiquement à une source lumineuse de façon à capter les photons émis par la source lumineuse et les restituer par sa surface latérale pour éclairer le milieu de culture d'un photobioréacteur.

PRESENTATION DES FIGURES

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préférentiel. Cette description sera donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- les figures 1 a-d et 2 sont des schémas de cinq modes de réalisation d'un élément diffuseur de lumière du photobioréacteur selon l'invention;

- la figure 3 est une vue en perspective d'un mode de réalisation particulièrement avantageux d'un élément diffuseur de lumière du photobioréacteur selon l'invention ;

- la figure 4 est une vue en perspective d'un mode de réalisation parallélépipédique du photobioréacteur selon l'invention;

- la figure 5 est une vue en perspective d'un mode de réalisation cylindrique du photobioréacteur selon l'invention.

- la figure 6 est une vue en perspective d'un autre mode de réalisation parallélépipédique du photobioréacteur selon l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE Principe de l'invention

Récemment les performances des composants LEDs ont largement progressé. Il existe maintenant des LEDs de forte puissance, c'est-à-dire plus de 10W électriques, et émettant aux environs de la longueur d'onde d'absorption de la chlorophylle (650 nm - 680nm). Elles ont en particulier des rendements optiques qui dépassent 25%, sur des produits industriels. En laboratoires, on note même des rendements dépassants couramment 35% et dans quelques cas 50%.

Cette percée technologique permet d'envisager qu'une seule LED soit suffisante pour fournir de la lumière à un volume de m ilieu de culture de l'ordre du litre, à condition de disposer d'un instrument de couplage optique qui permettrait de diffuser cette lumière.

Suite à des recherches, la demanderesse a mis au point des éléments diffuseurs de lumière, qui permettent de collecter la lum ière issue d'une source lumineuse et en particulier d'une LED quasi-ponctuelle ou en barrette, même placée à l'extérieur de l'enceinte de culture, et de la diffuser dans une colonne complète de milieu de culture du photobioréacteur.

Le fait que les sources lum ineuses soient placées à l'extérieur de l'enceinte de culture a de nombreux avantages, en particulier, une dissipation thermique facilitée, l'absence d'ombres causées par les sources elles-mêmes, le maintien des connections électriques hors du milieu biologique, etc.

Architecture de photobioréacteur Un schéma sim plifié d' un photobioréacteur selon l' invention est représenté sur la figure 1 a.

Ce photobioréacteur, destiné à la culture notamment en continu de micro-organism es photosynthétiques, de préférence de m icroalgues, comprend comme on le voit au moins une enceinte de culture 1 destinée à contenir le milieu de culture 3 des micro-organismes, et au moins une source lumineuse 2 extérieure à l'enceinte de culture 1 .

Il comprend en outre comme expliqué au moins un élément diffuseur de lumière 4 cylindrique ou prismatique placé dans l'enceinte de culture 1 , l'élément diffuseur 4 étant couplé optiquement à la source lumineuse 2 de façon à capter les photons émis par la source lumineuse 2 et les restituer dans le milieu de culture 3 par sa surface latérale. On distinguera par la suite le cas où la source lum ineuse 2 est une source quasi-ponctuelle, par exemple une LED simple (ou un ensemble de LEDs simples), du cas où la source lumineuse 4 est une source linéaire (voire surfacique), on dispose en effet par exemple de LEDs dites « en barrette » ou « en ruban » (voir la demande de brevet FR1050015).

Dans l'un comme l'autre de ces cas, on choisit en particulier une LED (quasi-ponctuelle ou en ruban) dite « de puissance » (HPLED), c'est-à-dire une LED de puissance supérieure à 1 W, voire de puissance supérieure à 10W. La suite de la présente description fera par conséquent essentiellement référence à des sources lumineuses de type LED, mais on comprendra que l'invention n'est en aucune manière limitée à ce type de source. L'homme du métier saura adapter le photobioréacteur selon l'invention à d'autres sources lumineuses 2 connues, y compris des sources laser, qui présentent l'intérêt d'être extrêmement directionnelles, et dont le prix à considérablement baissé.

Dans tous les cas, les sources lumineuses 2 peuvent aussi bien être monochromatiques que polychromatiques, que ce soit naturellement ou par juxtaposition de sources lum ineuses monochromatiques émettant à des longueurs d'onde différentes. On notera qu' i l est possi ble d' obten ir directement des LEDs multi-spectrales par empilement de semi-conducteurs de gaps différents (incluant les diodes à puits quantiques).

Géométrie de l'élément diffuseur de lumière - Cas des sources quasi- ponctuelles

En premier lieu, on remarquera que la symétrie d'émission des diodes LEDs quasi-ponctuelles commerciales est une symétrie cylindrique (émission Lambertienne), par conséquent le couplage le plus facile à réaliser est avec un tube, qu'il soit creux ou plein.

On parle donc dans ce cas de « tube » diffuseur de lumière, ou encore de « doigt ». Il est toutefois utile de préciser qu'un tube n'a pas forcément une section circulaire, en d'autres termes n'est pas forcément un cylindre de révolution. L'invention concerne toute forme cylindrique ou prismatique, en d'autres termes des polyèdres présentant d'une part une surface latérale rectangulaire, et d'autre part une section constante, cette section présentant avantageusem ent une sym étrie centrale pour respecter l' ém ission Lambertienne. En effet, on peut tout à fait envisager des sections de tubes diffuseurs 4 en polygone régulier ou étoilées, qui permettraient en particulier d'augmenter la surface latérale, c'est-à-dire la surface de contact avec le milieu de culture 3 des micro-organismes.

Un cylindre de révolution semble néanmoins la solution la plus réaliste, pour des raisons de symétrie (lobe des diodes), et pour éviter les points anguleux qui rendraient inhomogène le front lumineux.

De façon générale, on répète que l'invention n'est limitée à aucune géométrie, et concerne tout élément diffuseur de lumière cylindrique ou prismatique.

Deux possibilités de tubes diffuseur 4 sont à envisager. Selon la première possibilité, le tube diffuseur 4 est un tube creux en un matériau transparent, préférentiellement du verre ou du plexiglas, à l'extrémité duquel la LED 2 est placée, orientée vers le tube diffuseur 4 pour que ce dernier reçoive les photons émis par la LED 2.

Dans cette configuration la lumière est guidée dans le tube comme il est décrit dans la publication de V. Gerchikov et al (leukos vol 1 N°4 2005).

La propagation de la lumière se fait ici dans l'air, c'est-à-dire qu'il n'y a pas d'absorption. Etant donné la divergence des diodes (Lambertienne), les angles d'attaque sur la face interne du tube diffuseur 4 sont multiples, la lumière sort en suivant une loi classique (loi de Descartes) liée à la différence d'indice par rapport à l'air. L'indice n de réfraction de l'air vaut en effet 1 , et est bien inférieur à l'indice n du verre ou du plexiglas qui atteint 1 ,5. Ainsi, quand un rayon lumineux incident touche la surface interne du tube diffuseur 4, suivant son angle d'incidence Θ par rapport à la surface du tube le coefficient de transm ission à travers le tube passe de quasiment 1 pour un angle d'attaque de θ=0° (pas de propagation) à 0 en cas d'incidence rasante (guidage propagatif dans le tube). A l'interface entre le milieu de culture 3 et le tube diffuseur 4 au niveau de la surface latérale, la quasi-totalité du flux lumineux traverse également, car l'indice de l'eau (1 ,33) est à peine plus faible que celui du tube 4. Le cas décrit ne concerne évidemment pas le cas d'un tube avec enveloppe et vide d'air. Les trajectoires de deux rayons sont représentées sur la figure 1 a. On suppose que l'indice du tube diffuseur 4 est proche de 1 ,5.

Avantageusement, comme l'on voit également sur la figure 1 a, une lentille convergente 5 peut être placée entre la LED 2 et le tube diffuseur 4. Cette lentille 5 permet de contrôler la divergence du faisceau issu de la LED 2. Dans le cas simple d'un faisceau injectant à faible ouverture (la diode est au plan focal de la lentille), l'essentiel du flux lum ineux est guidé. On comprend qu'en défocalisant plus ou moins le faisceau on peut moduler le flux lumineux sortant du tube diffuseur 4. Corrélativement la longueur de pénétration de l'énergie lumineuse dans le tube diffuseur 4 peut être ajustée à la longueur des tubes diffuseurs. On verra l'importance plus loin de ce point.

On peut aussi améliorer l'injection de lumière dans le tube diffuseur 4 creux en entourant la LED 2 d'un dispositif optique 41 permettant de récupérer les rayons de grands angles par rapport à l'axe de l'émission pour les renvoyer dans l'axe du tube. Il existe des composants commerciaux réalisant cette fonction, mais non adaptés à notre application compte tenu de l'espace disponible. Dans notre cas une solution non parfaite, mais facilement réal isable est d' uti l iser un cône tronqué dont la face intérieure est réfléchissante, le sommet du cône entourant la LED 2. Plusieurs exemples de géométrie d'un tel système optique 41 sont visibles sur les figures 1 a-c.

Selon une deuxième possibilité, le tube diffuseur 4 est un tube plein en un matériau transparent n'absorbant pas la lumière, préférentiellement du polyméthacrylate de méthyle (PMMA). L'indice du PMMA (1 ,49) étant le même, à peu de choses près, que ceux de l'eau et du verre, il n'y aura pas de lum ière guidée à priori s'il est plongé dans l'eau, mais pas de pertes de Fresnel à l'interface LED/tube (encapsulation sphérique en verre).

On introduit la LED 2 dans un embrèvement fait dans le tube diffuseur 4 (de la taille de la calotte sphérique d'encapsulation de la LED 2).

On peut également avantageusement utiliser une lentille 5 qui grâce au faisceau quasi-cylindrique qu'elle permet d'obtenir, permet à la lumière de pénétrer dans le tube 4 plein (aux pertes de Fresnel près). Le faisceau pénétrant ainsi dans le tube 4 plein est de façon particulièrement avantageuse diffusé par des inclusions 6 introduites dans le tube. Ce mode de réalisation est représenté sur la figure 1 b.

Il existe en effet des réalisations industrielles fondées sur l'insertion dans la masse de PMMA d'inclusions diffusantes 6, c'est-à-dire des «objets» non absorbants qui assurent la diffusion de la lum ière par le biais des multiples interfaces d'orientations aléatoires en particulier des grains d'un matériau d'indice différent de celui du tube 4, ou encore des bulles d'air.

De façon encore plus avantageuse, la densité d'inclusions 6 varie sur la hauteur du tube diffuseur 4, et croit en s'éloignant de la LED 2 de façon à compenser la perte de lumière progressive.

L'invention n'est limitée à aucune taille de tube diffuseur 4 en particulier. Ceux-ci peuvent faire jusqu'à plusieurs mètres de long, il n'y a pas de limite donnée, et présentent un diamètre le plus souvent entre quelques millimètres et quelques centimètres, Le diamètre est essentiellement déterminé par le choix de la concentration des microalgues dans le réacteur (mode continu et/ou chemostat) qui conditionne la pénétration de la lumière, ainsi que la puissance moyenne qu'on veut appliquer aux microalgues. Ces dimensions seront discutées plus loin.

Géométrie de l'élément diffuseur de lumière - Cas des sources linéaires Comme expliqué précédemment, L'usage d'éléments diffuseurs 4 tubulaires pour diffuser la lumière n'est pas la seule configuration possible. On peut en effet utiliser des sources lumineuses 2 linéaires comme des LEDs en ruban. On note comme déjà précisé plus haut que les LED en ruban peuvent être composites (plusieurs longueurs d'ondes) ou par construction polychromatiques.

Dans ce cas, les éléments diffuseurs 4 sont avantageusement sensiblement parallélépipédiques afin de tenir compte de la géométrie d'émission d'un ruban de LEDs. On remarque qu'il s'agit d'un cas particulier de géométrie prismatique.

Un tel parallélépipède diffuseur 4 de lum ière est représenté sur la figure 2. Il peut être plein, creux, et peut faire l'objet des mêmes modes de réalisation que les éléments tubulaires. On parlera par la suite de « tubes diffuseurs de lumière », mais on comprendra bien que toutes les possibilités qui ont été décrites et seront décrites dans la présente description (structures, traitements, matériaux... ) peuvent s'appliquer aussi bien quelque soit la géométrie de l'élément diffuseur 4, tube ou parallélépipède.

Traitements de surface - Traitements semi-réfléchissants

Pour éclairer le milieu de culture 3 de façon la plus homogène possible, il faut faire en sorte que la lumière sorte du tube diffuseur 4 avec une intensité constante le long du guide de lumière, en particulier en empêchant la lumière de sortir trop précocement du tube diffuseur 4.

Dans le cas d'un tube diffuseur 4 creux, on peut avantageusement augmenter cet effet de confinement de la lumière, en disposant une couche semi-réfléchissante 7 sur la face interne du tube diffuseur 4, laquelle est assimilable à un semi-miroir

Dans tous les tubes diffusants, une autre couche semi-réfléchissante 8 peut être disposée sur la face externe du tube diffuseur 4, y compris les tubes creux en remplacement ou en complément d'une couche interne 7. Ces traitements de surface interne/externe, dont on voit un exemple sur la figure 1 c, permettent de mieux guider la lumière.

Il s'agit ici d'un traitement semi réfléchissant qu'on peut classiquement obtenir avec un matériau métallique ou un oxyde métallique, d'indice optique plus élevé que l'indice du matériau constituant le tube diffuseur 4, préférentiellement de l'aluminium. En augmentant l' indice, on favorise la réflexion par rapport à la transmission. La qualité du revêtement est essentiellement liée à son absorption qui doit être minimale. Il existe dans l'arsenal des couches optiques semi transparentes, des multicouches optiques (métaux ou oxydes) permettant de réaliser cette fonction d'augmentation de l'effet miroir, qui peut être adaptée à la longueur d'onde de la lumière utilisée.

Le fait de mettre une couche semi-réfléchissante 8 à l'extérieur du doigt pour un tube creux, n'est pas une nécessité, mais simplifie la technique de dépôt du matériau semi-réfléchissant. On peut toutefois envisager de procéder au dépôt par trempage dans un bain, aussi bien sur la face externe que dans l'intérieur du tube. Les couches semi-réfléchissantes 7, 8 peuvent être déposé plus généralement par toute méthode chimique (trempage), électrolytique, ou de type sputtering (pulvérisation cathodique), CVD (dépôt en phase vapeur), évaporation, etc.

Les matériaux envisagés vont comme expliqué des métaux (Al, Ag, etc) qui permettent de constituer des couches semi transparentes de faibles épaisseurs (du nanomètre à quelques microns), aux oxydes transparents (d'Indium dopés ou non, de terres rares, etc) pour réaliser cette fonction. Dans les gam mes de transparences qui sont ici nécessaires, l'absorption intrinsèque de cette couche ne devrait pas dépasser 10%.

De façon encore plus avantageuse, l'épaisseur de la ou les couches semi-réfléchissantes 7, 8 diminue en s'éloignant de la LED 2, de façon à compenser la perte de lumière progressive. L'homme de l'art saura choisir le profil de variation de l'épaisseur de la ou les couches semi-réflechissantes 7, 8 (en fonction de la distance à la LED 2) pour optimiser (égaliser) l'énergie lumineuse sortant du tube 4. Il s'agit ici de la même préoccupation qui conduit à avoir une densité variable d'inclusions 6 dans le cas d'un tube diffuseur 4 plein (voir plus haut). A titre d'exemple, une couche d'alum inium dont l'épaisseur varier de 20 à 100 nm est intéressante.

Traitements de surface - Traitements diffusants

On a vu que certains traitements de surface amplifiaient l'effet miroir à l' intérieur du tube d iffuseur 4, mais d'autres traitements permettent spécifiquement d'améliorer la diffusion de la lumière.

Ainsi, avantageusement la surface externe du tube diffuseur 4 présente une rugosité élevée 9 améliorant la diffusion de la lum ière. Par rugosité adaptée, on entend notamment une rugosité à des échelles comparables ou supérieures à la longueur d'onde de la lumière utilisée.

II s'agit par exemple de rugosités obtenues par abrasion, par attaques chimiques, par moulage au voisinage de la température de ramollissement du PMMA, ou par gravure laser, etc . Le premier traitement (semi-réfléchissant) et ce second traitement peuvent utilisés séparément ou simultanément, par exemple en déposant une couche semi-réfléchissante 8 sur un tube diffuseur 4 rendu rugueux, permettant d'optimiser le flux de lumière issue du tube diffuseur 4. Il est représenté sur la figure 1 d un tube diffuseur 4 dans lequel sont combinées de la rugosité 9 et une couche semi-réfléchissante interne 7.

A l'instar de l'autre traitement, le niveau de rugosité peut croître quand on s'éloigne de la LED 2 pour compenser la perte de flux lumineux quand on s'éloigne de la source. L'optimisation de cette perte de flux progressive dans le tube diffuseur 4 de lumière, ainsi que l'optimisation de la constance du flux de sortie quand on parcourt le tube diffuseur 4 conduit à viser une atténuation quasi-totale de la lumière sur un parcours du double de la longueur du tube diffuseur 4 (pas de puissance lumineuse retournant sur la source). Ainsi, avantageusement, l'extrémité du tube diffuseur 4 opposée à la LED 2 est pourvue d'un miroir 42. A mi distance (longueur du tube diffuseur 4, puisque le parcours complet est un aller-retour), on renvoie la lumière, ce qui permet de compenser la perte de lumière extraite du tube quand on s'éloigne de la LED 2 dans le parcours « aller », ce m iroir peut être avantageusement incliné suivant un angle prédéterminé on même conformé, par exemple en le prenant de forme conique (comme l'on voit sur la figure 1 a). Divers exemples des géométries de miroir 42 sont également visibles sur les figures 1 a-d. On note que l'usage de couches semi-réfléchissantes 7, 8 d'épaisseur variable en fonction de la distance à la LED 2 constitue un degré de l iberté supplémentaire pour optimiser l'extraction de la lumière.

On notera par ailleurs, que pour tenir compte de l'hydrodynamique (flux d'eau, et de bulles) dans le réacteur, l'extrémité du tube diffuseur 4 opposée à la LED 2 est avantageusement en forme de cône ou de dôme pour faciliter le flux de l'eau ou des bulles (dans les zones à sparger), comme l'on verra plus loin. Si on utilise un tube à double enveloppe c'est l'extrémité de celle-ci qui doit être conformée en cône ou en dôme.

Autres améliorations des tubes diffuseurs De façon préférée, la surface externe du tube diffuseur 4 est encapsulée dans une gaine protectrice 10. L'encapsulation a pour objet essentiel de protéger en particulier la couche semi-réfléchissante 8 du milieu de culture 3 qui par nature est corrosif.

Si la surface externe du tube diffuseur 4 présente une rugosité artificielle 9, on note que celle-ci favorise l'accrochage des microalgues, c'est pourquoi il est également souhaitable d'encapsuler le tube diffuseur 4.

La gaine protectrice 10 doit être réalisée avec un matériau non rugueux et transparent (par exemple des plastiques comme le PMMA à nouveau, le polycarbonate, du polystyrène cristal... ), et sur lequel l'accrochage des algues est le plus faible possible. Dans le cas d'une rugosité 9, on remarque qu'il est nécessaire de créer une rupture d'indice sur le passage de la lumière pour obtenir l'effet de diffusion des rugosités. Donc il faut soit choisir pour la gaine 10 un matériau présentant un faible indice comme le polytétrafluoroéthylene, soit prévoir de façon préférée un vide d'air entre la gaine 10 et le tube diffuseur 4 à rugosité élevée 9, la distance à parcourir par la lumière dans l'air devant être avantageusement bien supérieure à la taille des rugosités 9 (au moins un facteur 10). De façon générale, l' invention ne sera lim itée à aucun mode de réalisation particulier, et pourra faire l'objet de toutes les combinaisons possibles de couches semi-réfléchissantes, rugosités, sur la face externe et/ou sur la face interne s'il y en a une. Il est également possible de combiner plusieurs matériaux en particulier présentant des indices différents, et assembler ces différents matériaux en multicouches concentriques. L'homme de l'art saura adopter toutes ces options en fonction des caractéristiques de production choisies pour le photobioréacteur (concentration des algues, densité des tubes diffuseurs 4, rendement souhaité, coût souhaité, etc.)

On verra plus loin que la gaine (double tube ou encapsulation), permet d'envisager un système de nettoyage externe des tubes de lumière.

Système de refroidissement

Les HPLEDs préférentiellement utilisées présentent comme expliqué un rendement d'environ 25%, c'est-à-dire que 75% de la puissance fournie est dissipée en chaleur.

En d'autre termes, l'utilisation des LED 2 nécessite l'évacuation d'une chaleur i m portante, c' est pourquoi le photobioréacteur comprend avantageusement un système de refroidissement 12 des LEDs 2.

Les LEDs 2 sont par exemple montées sur un support métallique de quelques centimètres carrés qui sera mis en contact direct avec ce système de refroidissement 12, appelé « caloduc », constitué de deux plaques métalliques entre lesquelles on fera circuler un liquide de grande conductibilité thermique, de l'air puisé, de l'eau ou autre. On peut aussi prévoir des radiateurs individuels refroidis par air ou à eau, comme l'on voit sur la figure 3. Les éléments 1 21 et 1 22 correspondent respectivement à l'entrée et à la sortie du fluide caloporteur. En cas de radiateurs individuels, on peut prévoir de les monter en série et/ou en dérivation. Le débit du liquide de refroidissement est asservi à la mesure de la tem pérature d'em base des LEDs

La LED 2 est ici montée sur un socle au sommet du tube diffuseur 4, et est au contact avec son caloduc 12, sa face ém issive sphérique est au contact avec le tube diffuseur de lumière 4 (un trou sphérique est ménagé si le tube diffuseur est plein, le trou étant avantageusement rempli de graisse optique).

Alternativement, si l'on souhaite écarter de quelques centimètres les

LEDs et leurs connections électriques du milieu de culture, on peut utiliser un guide de lumière sans pertes (miroir cylindrique) de quelques centimètres de long à l'extrémité du tube diffuseur 4. Ce guide peut être par exemple un cône tronqué dont l'intérieur est tapissé d'un miroir.

Racleur de nettoyage

Même en prévoyant une gaine protectrice 10, il est vraisemblable que des algues y adhéreront. Il est donc intéressant de prévoir un système de nettoyage, c'est pourquoi le tube diffuseur 4 comprend avantageusement un racleur de nettoyage 1 1 entourant la gaine 10.

Le racleur de nettoyage 1 1 , visible également sur la figure 3, consiste par exemple en un joint torique en caoutchouc entourant le tube diffuseur 4 dans sa partie haute. Quand on retire le tube diffuseur 4 (en le tirant par le haut) le joint racle les dépôts d'algues. Géométrie du photobioréacteur

La taille d'une enceinte de culture 1 du photobioréacteur peut être très variable, et aller de quelques litres à des centaines de mètres cubes. La géométrie générale d'une enceinte de culture 1 est le plus souvent parallélépipédique (figure 4) ou cylindrique (figure 5), mais n'a pas ou peu d'incidence, à part éventuellement en ce qui concerne les effets de bord et les coûts de construction, la résistance à la pression. Le photobioréacteur peut en outre aussi bien comprendre une seule enceinte de culture 1 que plusieurs L'invention n'est limitée à aucune taille ni géométrie.

Dans le cas des parallélépipèdes diffuseurs de lumière 4, l'enceinte de culture est préférentiellement également parallélépipédique, comme l'on voit sur la figure 6. On remarque que dans cet exemple les sources lumineuses 2 (et donc les caloducs 1 2) sont placées sur les flancs du photobioréacteur, cette configuration symétrique permet d'augmenter le flux de lumière dans les guides, mais n'est pas forcément nécessaire. Elle permet par contre d'éclairer facilement à deux longueurs d'ondes différentes.

On prendra dans la su ite de la description , à titre d'exemple, u n photobioréacteur comprenant une unique enceinte de culture 1 cubique conforme à la figure 4, d'un volume global de 1 m ³ (volume du m ilieu de culture 3 plus volume des tubes diffuseurs 4).

Comme l'on voit sur la figure 4, on choisit des tubes diffuseurs 4 de lumière précédemment décrits, d'environ 1 m de longueur de façon à éclairer sur toute la hauteur de l'enceinte de culture 1 , et optimisés pour émettre un flux constant sur toute leur hauteur. Si les sources lumineuses avaient été latérales, on aurait considéré la largeur de l'enceinte de culture.

L'arrangement des tubes diffuseurs 4 dans le volume de l'enceinte de culture 1 vise à optimiser l'homogénéisation globale du flux de lumière émis dans le milieu de culture 3. Le paramètre dimensionnant pour avoir un « bain » de lumière quasi-homogène en intensité est la « longueur de pénétration efficace » de la lumière ( _eff ). Ce paramètre est défini à partir de la « longueur de pénétration caractéristique »x, mentionné dans l'introduction, qui est la longueur de milieu de culture au bout de laquelle un flux incident lumineux est divisé par e=2.71828, et d'un seuil d'intensité lumineuse i _eff dit « seu i l de déclenchement du cycle de production », qui inclut l'activation du cycle de Calvin. Le cycle de Calvin est en effet une série de réactions biochimiques qui se tiennent dans les chloroplastes des organismes quand ils réalisent la photosynthèse. Ce seuil de déclenchement, exprimé en moles de photons par m ² par seconde, correspond au niveau de flux lumineux minimum pour amorcer la production de biomasse par les micro-organismes. I l vaut typiquement 50 moles.m ^"2 .s ^"1 de photons « rouges » (longueur d'onde autour de 650 nm) pour les microalgues (par exemple du genre Nannochloris).

A titre d'information, on trouve également un seuil de saturation de la photosynthèse, au dessus duquel la vitesse de production de biomasse n'augmente plus et même décroit aux fortes intensités par destruction des microalgues.

X _eff est défini comme la distance au-delà de laquelle le flux lumineux tombe en-dessous du seuil i _eff .

La loi de Beer-Lambert nous permet d'exprimer le flux lumineux à une distance x d'une source lumineuse produisant un flux lumineux incident l ₀ : l(x) = l ₀ e- ^{x ,}

D'OÙ I _eff = I,e ^λ , Θί λ^ λΙ ^η -) .

X _eff est inversement proportionnel à la concentration en microalgues, et à concentration fixée il est déterminé par l'espèce de microalgue. On considère qu'un point situé à une distance d'une source lumineuse au-delà de X _eff ne reçoit pas suffisamment de photons pour produire de la matière organique. En d'autres termes ceci signifie que chaque point du milieu de culture 3 doit être en moyenne à une distance inférieure à X _eff d'un tube diffuseur 4. L a d i s t a n ce m oy e n n e e n t re d e u x t u b e s e s t d o n c avantageusement de l'ordre de 2 _eff .

En prenant cette hypothèse, une première configuration possible consiste à créer un réseau carré de tubes diffuseurs 4. En supposant à titre d'exemple que le diamètre des tubes est de d= / _e =10mm, on remplit alors une enceinte de culture 1 cubique de 1 m ³ avec 1089 (33x33) tubes diffuseurs 4 de lumière.

En réalité cet empilement n'est pas forcément optimal du point de vue du volume éclairé, des simulations montrent qu'il est préférable de décaler une rangée sur deux de _eff + 612. Dans cette configuration (il s'agit d'un réseau hexagonal) l'enceinte de culture 1 est alors remplie avec 1270 tubes diffuseurs 4.

D'une manière plus précise, l'optimisation du «bain» de lumière (dynamique de l'intensité, et intensité), doit faire l'objet d'une optimisation par calcul. En imposant l'intensité moyenne lumineuse dans le bain et les variations locales de l'intensité lumineuse, on peut déterminer la surface optimale des tubes diffuseurs 4 pour une puissance lumineuse injectée par chaque LED 2 donnée, d'où le diamètre optimal. Système de mise en circulation du milieu de culture: générateur de bulles

Le fonctionnement dynamique du photobioréacteur suppose par ailleurs qu'on injecte avantageusement à sa base un gaz sous pression (avec éventuellement des nutriments). Cette injection notamment au travers d'un dispositif appelé « sparger » conduit à la création d'un flux de bulles qui induit la montée du liquide biologique. Le photobioréacteur comprend donc avantageusement un système de génération de bulles 13 disposé à la base du milieu de culture 3.

Les figures 4 et 5 représentent différentes géométries de système générateur de bulles 1 3 à sparger aptes à injecter ces bulles de façon contrôlée à la base du milieu de culture 3. Les réacteurs fonctionnant suivant ce principe classique sont dénommés «air-lift». Le flux principal liquide bien qu'orienté dans le sens de la montée (puis dans le sens de la descente) conduit les microalgues à « diffuser » transversalement entre les tubes diffuseurs 4. Les microalgues en se déplaçant ainsi captent une lumière variable, puisque dans cette direction le profil de décroissance de la lumière est exponentiel quand on s'écarte des tubes diffuseurs 4. Les microalgues reçoivent ainsi une puissance moyenne dans la longueur A _eff. La condition d'efficacité de ce « moyennage » de la quantité de lumière reçue par chaque microalgue est que le tem ps de diffusion d'une microalgue entre deux tubes diffuseurs 4 soit très court par rapport au cycle de vie d'une algue, et de préférence au temps de montée (ou de descente) d'une microalgue dans l'enceinte de culture 1 .

Un fonctionnement de type air-l ift suppose en général un flux ascendant du milieu de culture 3 et évidemment un flux descendant. L'injection du fluide se fait à la base de la partie montante. Pour schématiser on pourrait séparer l'enceinte de culture 1 en deux parties distinctes équivalentes : une montante et une descendante, le flux et le contre flux étant éclairés par le même procédé de doigts lumineux. L'optimisation de la configuration des flux liquides peut conduire à d'autres partitions d'une enceinte de culture 1 du photobioréacteur en N blocs montants, M blocs descendants, ou à l'usage de buses disposées à la base de l'enceinte de culture 1 et placées entre les tubes diffuseurs 4.

On notera que la technologie des éléments diffuseurs de lumière 4 quelque soit leur géométrie peut en principe autoriser n'importe quelle forme d'enceinte de culture 1 et pas seulement parallélépipédique ou cylindrique.

L'empilement des enceintes de culture 1 est toutefois plus facile dans le cas parallélépipédique et permet d'optimiser la place. Dans le cas d'une enceinte cylindrique, l'hydrodynamique des flux montants et descendants, qui sont associées à des spargers 13 concentriques (voir figure 5) est plus délicate à gérer. Dans le photobioréacteur selon l'invention, on montre que l'extension de l'interface entre les flux et contre flux (montée et descente) ne dépasse pas l'intervalle entre deux plans de tubes diffuseurs 4. Cette interface s'établit naturellement à la limite des zones de sparger.

En outre, comme expliqué, le photobioréacteur fonctionne en mode

« continu ». En effet, il est essentiel que la densité de microalgues reste constante, pour conserver la même longueur de pénétration de la lum ière, donc on stabilise la concentration par prélèvement continu du liquide, et injection en contre partie d'une même quantité d'eau, éventuellement enrichie de nutriments. Ce procédé est décrit en particulier dans la demande de brevet FR1050015.

Le photobioréacteur peut comprendre en effet divers systèmes de régulation. Ce dernier devant fonctionner en continu pour une géométrie donnée, en particulier liée à l'espacement des éléments diffuseurs, on doit contrôler la densité d'algues optimale en régime stationnaire. Cette mesure sera faite par mesure de la densité optique du milieu biologique.

D'autres paramètres critiques pour l'optimisation de la croissance des microalgues peuvent faire l'objet de mesures faites en continu : pH, température, etc.

D' u ne façon générale ces param ètres seront régu lés autour de consignes garantissant un fonctionnement optimal.

Utilisation du photobioréacteur Selon un deuxième aspect, l'invention concerne l'utilisation d'un photobioréacteur selon le premier aspect de l'invention pour cultiver des micro-organismes photosynthétiques, de préférence des microalgues.

Cette uti l isati on peut être pou r des app l ications énergétiq ues (production de biocarburants), industrielles (production de pigments), agroalimentaires (production d'oméga-3 et d'acides gras polyinsaturés), de dépollution (purification de rejets en dioxyde de carbone, NOx et/ou SOx) voire même pharmaceutique de masse.

Un autre aspect de l'invention concerne comme expliqué précédemment l'utilisation d'un élément diffuseur de lumière 4 cylindrique ou prismatique couplé optiquement à une source lumineuse 2 de façon à capter les photons émis par la source lumineuse 2 et les restituer par sa surface latérale pour éclairer le milieu de culture d'un photobioréacteur. L'élément diffuseur de lumière 4 peut faire l'objet de tous les modes de réalisation écrits précédemment.

Exemple numérique Paramètres :

· Tubes diffuseurs de 10 mm de diamètre ;

• Enceinte cubique 1 de 1 m de côté ;

• LEDs 2 de puissance 10 W électrique soit 2.5 W optique (longueur d'onde 650 nm) ;

• Longueur de pénétration caractéristique de la lumière 1=3.8 mm (concentration de 10 ⁸ cellules/mL) ;

• Algues du genre Nannochloris de masse unitaire 10 ^"11 g (masse biologique de 1 g/L par conséquent), seuil d'efficacité i _eff = 50 moles.m ^"2 .s ^"1 ;

• Arrangement « carré » des tubes lumineux. En considérant que les tubes diffuseurs 4 présentent une longueur de

1 m égale au coté de l'enceinte de culture 1 , on calcule une surface latérale de 314 cm ² par tube diffuseur 4. La puissance optique injectée étant de 2,5 W, en considérant comme expliqué précédemment que le tube diffuseur 4 diffuse cette puissance de manière homogène, le flux lumineux, c'est-à-dire la puissance optique transmise au milieu par unité de surface, vaut 79,62 W/m ² (à la surface des tubes), soit 432 μηιοΐβ. m ^"2 s ^"1 . Il faut à présent convertir cette valeur en moles de photons par m ² par seconde. L'énergie d'un photon est en effet liée à sa fréquence v (l'inverse de sa longueur d'onde multiplié par la vitesse de la lumière) par la constante de Planck h : E = hv . 1 mole de photons (soit 6.02.10 ²³ photons, d'après la constante d'Avogadro) de longueur d'onde 650 nm possède donc une énergie de 173,9 kJ.

On en déduit que le flux lumineux incident vaut 432 moles.m ^"2 .s ^"1 . En utilisant la formule mentionnée plus haut dans la description, on obtient une longueur efficace _eff =8,5 mm.

L'arrangement carré décrit plus haut prévoit un écart de 2 _eff entre deux tubes diffuseurs 4 successifs, il est donc possible de placer jusqu'à 1369 (37x37) tubes diffuseurs 4 dans l'enceinte cubique 1 .

La surface d'éclairement totale est alors de 43m ² , et la consommation électrique instantanée des LEDs 2 est alors 13,7 kW, dont 10,28kWth à dissiper.

Le volume de milieu de culture 3 dans l'enceinte de culture 1 correspond au volume total de 1 m ³ moins le volume des 1369 tubes diffuseurs 4. Il vaut 0,89 m ³ . Le volume quand à lui éclairé « efficacement », c'est-à-dire dans la couronne de largeur _eff autour de chaque tube diffuseur

4 peut être calculé à 0,67m ³ .

En partant du principe qu'en fonctionnement continu, la masse de micro-algues « efficacement éclairées » double toutes les 12h, on obtient une production de 0,94 Kg/jour de microalgues pour un photobioréacteur présentant une enceinte de culture d'1 m ³ , en consommant 329 kWh/j d'électricité.

On note que par rapport à un éclairage d'une face de 1 m ² et un volume de 1 m ³ , on a gagné un facteur 43 dans l'efficacité brute du réacteur, chiffre qui compte tenu de l'hydrodynam ique du réacteur est à multiplier par un facteur 2, puisqu' ici on considère que le volume éclairé est à multiplier par le facteur A _eff /A.