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5~i
La presente invention a pour objet un nouveau
système de culture d'algues unicellulaires à dialyse comprenant
une enceinte fermee contenant les algues dans un milieu de cul-
ture et des moyens pour assurer un echange des nutrilites et
metabolites nécessaires à la croissance des algues depuis un
milieu nourricier vers le milieu de culture.
L'invention concerne également une nouvelle
méthode de culture d'algues unicellulaires ~ c1ialyse~ ~ar cette
méthode, une culture volumineuse d'algues en dialyse est réalisée
avec une productivité biologique élevée.
Depuis près de 50 ans, une panoplie de ~2thodes
de culture d'algues unicellulaires a été developpee aussi bien
dans le secteur de la recherche appliquee: recherche d'une
source nouvelle de nourriture pour l'homme, en aquiculture,
pour l'utilisation des eaux usees, que celui de la recherch~
fondamentale, où des appareils généralement plus sophistiqués,
genre chimiostat, ont permis la réalisation de découvertes
importantes sur la photosynthèse. Dans tous ces appareils,
la croissance des algues est determinee par le renouvellement
automatique ou manuel de l'echaMtillon d'algues préleve, par
du milieu enrichi, et la culture atteint sa croissance maximale
par l'epuisement de sels nutritifs du milieu.
Récemment, en s'inspirant des methodes de cul-
tures dialysantes chez les microorganismes non-photosynthetiques,
des cultures de ph~toplancton marin ou d'eau douce ont ete de
veloppees avec succès dans des enceintes dialysantes (voir à ce
sujet (1) PRATT, R, 1944. Am. J. Bot. 31: 418~421; ~2)
JENSEN, A., B. RYSTAD and L. SKOG~UND, 1972. J. Exp. Mar. Biol.
Ecol. 8: 241-248; [3) JENSEN, A. and B. RYSTAD, 1973.
~ 7~55~
J. ~xp. Mar. Biol. Ecol. 11: 27S-2~5; (4) SKOGLUND, L. and
A. JENSEN, 1976. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 21: 169-178;
(5) SAKSHAUG, E. et A. JENSEN, 1978. Oceanogr. Mar. Biol.
Ann. Rev. 16: 81-106). Ce procedé est particulierement inté-
ressant puisqu'il fait appel uniquement a des échanges osmoti-
ques de substance de faible poids moléculaire (par exemple, les
sels nutritifs) entre la culture et son milieu nutritif, tcut
en protegeant les cellules vegetales des predateurs ou de la
contamination par les bacteries. Plus tard, Dor (voir a ce
sujet High density, dialysis culture of algal on sewage-, Water
Research, 9: 251-254, 1975) utilise le meme procedé pour de-
montrer les possibilités de récupération des eaux d'égouts
domestiques dans le but de produire des protéines algales.
Cependant, cette méthode possede deux faiblesses
techniques majeures. D'abord, la durabilité limitée de la mem-
brane dialysante en cellulose, sensible aux bacteries cellulo-
lytiques et aux diatomees epiphytiques, rend impossible le main-
tien d'une culture sur une longue periode. En fait, le rempla-
cement de cette membrane a dialyse est irrealisable sans risque
de contamination ou de destruction de la culture car elle tient
également lieu de paroi de l'enceinte. De plus, pour des en-
ceintes très volumineuses, le taux d'échange osmotique devient in-
suffisant en raison de la baisse du rapport surface de dialyse/
volume de la culture. Ceci expli~ue les concentrations cellu-
laires supérieures obtenues par Sakshaug et Jensen voir référen-
ce ~4) precitee avec des petits sacs a dialyse seulement. Le
système de culture de phytoplancton selon la presente invention,
basé sur l'emploi d'unités de fibres creuses dialysantes, rem-
plaçables, isol~es de la chambre de croissance, permet de con-
tourner ces difficultés, c'est-a-dire d'obtenir une culture
aseptique volumineuseet durable, et une croissance cellulaire tres élevée.
~l7g,~
Le brevet des Etats-Unis No. 4.043.903 (Dor)
a pour objet un procédé favorisant la culture d'algues dans un
mllieu aqueux contaminé. Dans ce procédé, on utilise une mem-
brane dialysante qui permet des échanges osmotiques entre les
élements nutritiEs contenus dans le milieu contaminé et la cul-
ture d'algues. Nulle part dans ce brevet, on ne parle de fibres
creuses dialysantes. On ne mentionne pas non plus l'emploi
combiné d'une arrivée externe de CO2 gazeux et un débit-mètre
afin de régler le débit de la culture et de l'eau de mer dans
l'échangeur dialysant comme il en est question dans la présente
invention. Leur système ne peut également fonctionner en continu,
avec un échantillonnage automatique.
Palotta, dans son brevet américain No. 2.715.795
délivré le 23 aout 1955, décrit une méthode de culture de micro-
organismes photosynthétiques. Cette méthode utilise un appareil
comprenant une membrane dialysante ayant la forme d'un tube
hélicoidal, enroulé autour d'un cylindre rotatif. L'appareil de
Palotta ne peut donc être compare a celui de la présente demande.
Enfin, le brevet des Etats-Unis No. 3.228.877
délivré le 11 janvier 1966 a pour objet un appareil a permeabi-
lite sélective et un procédé utilisant des fibres creuses. Ce
brevet démontre la grande possibilité d'u-tilisation de ces fibres
dans de multiples domaines techniques o~ un filtrage selectif
est necessaire.
L'appareil du demandeur fait plutôt appel a la
comblnaison de nombreux détails de realisation qui ne sont pas
suggeres dans le brevet No. 3.228.877, comme par exemple, l'uti-
lisation d'un courant d'un melange d'air et de bioxyde de car-
bone gazeux pour assurer la circulation de la culture au sein de
l'échangeur dialysant, ou encore d'un débit-mètre pour régler
7 S~
l'arriuee du milieu nourricier dans l.'échangeur dialysant et
ainsi ajuster le debit aisement. L'emploi. d'un manometre pour
regler la pression intrafibrillaire et la diffusion hydraulique
vers la culture et permettre la reali.sation d'un système de
culture à dialyse continu distingue egalement l'appareil du
demandeur.
Ce sytème base sur l'utilisation de fibres creuses dialysantes
permet les echanges osmoti.ques des nutri.li.tes et des metabolites
entre le milieu nourricier soi.t l'eau de mer ou des eaux usees
domestiques et la culture d'algues, sans aucun rI.sque de contami-
nation pour la culture. Grâce à la.surface d'echange importante
du faisceau de fibres e-t son remplacement facile, cette methode
peut foùrnir durant une periode prolongee une productivite
biologique elevee.
La presente.invention a donc pour objet un système de culture
d'algues unicellulaires à dialyse. Celui-ci est du type compre-
nant: une enceinte fermee contenant les algues dans un milieu de
culture et des moyens pour.assurer un echange des nutrilites et
metabolites necessaires à la croissance des algues depuis~un
milieu nourricier choisi dans le groupe comprenant l'eau de mer
et lbs eaux usees domestiques vers le milieu de culture. Les
moyens d'échange sont constitu8s par des faisceaux de fibres
creuses de type hemodialyseur en contact avec le milieu
-de culture.~s algues, le m~lieu nourriGier circulant à l'interieur des
fibres. Les movens d'echange et l'enceinte contenant le milieu de culture
sont des unites distinctes et fonctionnent de manière independante.
L'invention concerne également une nouvelle methode de cultu-
re d'algues unicellulaires à dialyse. Elle est caracterisee par
les étapes suivantes: on introduit une souche d'algues dans un
milieu de culture contenu dans une enceinte pour favoriser la
croissance de ladite culture, on fait circuler à contre-courant
dans ùn hémodialyseur constitue d'un faisceau de fibres
- 4
~ ~7~
crellses dialysantes, le milieu de culture et un milieu nourricier,
le ~ilieu de culture circulant à l'e~térieur desdites fibres par entraine-
ment d'un courant yazeux en~e ladlte enceinte et l'h~ialyseur-tandis que
le milieu ncurricier circule à l'interieur de ces dites fibres, afin d'as-
surer une osmose vers lsdit milieu de culture et permettre une
diffusion des nutrilites nécessaires à la croissance des algues.
Au stade de croissance voulu, on procède ensuite à sa recuperation.
Le milieu nourricier utilisé est de l'eau de
mer ou des eaux usées domestiques alors que le courant gazeux
servant à entralner le milieu de culture est un mélange air-CO2
(V:V, 98:2) ayant un débit maximum d'un litre/min.
L'enceinte est logee, de préférence, dans un
bassin d'eau thermostatee sous le controle d'une unite refrige-
rante (pas indiquee). La forme etroite de l'enceinte donne un
meilleur rendement pour des cultures concentrees car elle dimi-
nue le facteur d'extinction lumineuse ~-Self-Shading- des algues).
On peut egalement utiliser des enceintes de forme cylindrique.
L'echangeur dialysant, du type hémodialyseur,
possede une surface d'echange de l.l m2. Il provient de la
compagnie Hospal. Cet echangeur est constitué d'une cartouche
de plastique contenant des milliers de fibres creuses de collo-
dion (D.I. 200 ~m~ et laissent diffuser les molécules inferieures
à 1,500 ~.M. L'eau de mer ou le milieu nourricier, circule a
l'interieur de chacune de ces fibres du haut vers le bas tandis
que la culture passe entre les fibres en sens inverse, afin de
permettre un echange osmotique vers le milieu de culture.
L'echangeur dialysant s'installe à l'exterieur
de l'enceinte de culture et il est relie à celle-ci par deux tubes
flexibles Tygon ou de silicone, l'un de ces tubes etant dit
supérieur et l'autre inferieur.
... .. .... ...
* Marque de co~rce d'un tube flexible
transparent fait de plastique.
;
Le système comprend en outre un conduit d'entrée
d'un courant gazeux monté sur le tube inférieur reliant l'hémo-
dialyseur à l'enceinte. Ce courant gazeux avorise la circula-
tion du milieu de culture à l'interieur de l'hemodialyseur.
Le dialyseur est egalement prolonge ~ sa
sortie par un tube dont l'ouverture est réglable au moven d'une
valve permettant ainsi d'ajuster la pression intrafibrillaire.
On peut installer plusieurs echangeurs par enceinte et les
remplacer au besoin car ils sont jetables.
Dans un système de dialyse en continu, un reci-
pient d'echantillonnage muni d'une sortie d'air et d'un tube de
prelèvement est relie au h~ut de l'enceinte de culture par un
tube de deversement.,
Afin de mieux comprendre l'invention sans tou-
tefois vouloir la limiter, on se referera maintenant aux dessins
annexes, dans lesquels:
Les figures 1, 2 et 3 representent une enceinte
de culture selon l'invention de 10 litres de capacite, vue
sous trois angles: vue de face, de haut et de profil; et
la figure 4 represente, vue de profil, un cou-
plage de l'echangeur dialysant au bassin de culture et illustre
le fonctionnement du syst8me de culture en continu (echantillon-
nage automatique) selon l'invention.
La figure 4 montre le système complet en ope-
ration. Un mélange air-CO2 (V:V, 98:2) arrive en (F) au bas de
l'enceinte (A) au niveau du tube inferieur (D) reliant l'echan-
geur (C) a l'enceinte avec un débit maximum d'un litre/min. Ce
flux de gaz entraine la culture de l'enceinte (A) vers le tube
(D) jusqu'au dialyseur (C), dans la chambre d'échange (G), puis
1~ 7~5'~i
revient dans l'enceinte (A) via le tube (E). L'enceinte est
logée dans un bassin d'eau thermostatee (B). C~ debit gazeux
fournit une rotation complète de la culture en une heure. De
plus, ce melange gazeux, favorise la croissance des algues grâce
a l'apport en CO2. L'echangeur utilise dans le syst~me selon
l'invention est constitue d'un faisceau de ~ibres creuses dia-
lysantes du type hemodialyseur.
La circulation des deux liquides à contre-cou-
rant dans l'echangeur (la culture entre les fibres et le milieu
nourricier à l'interieur de chaque fibre) favorise les echanges
osmotiques qui se produisent dans la chambre d'echange (G).
Pour un debit constant, la pression intrafibril-
laire du dialyseur determine le taux de passage du milieu nourri-
cier de part et d'autre de la barrière dialysante (diffusion hy-
draulique). Selon que cette pression est superieure ou égale à
celle de la chambre de croissance le disposit,if operera en con-
tinu ou en equilibre de croissance. Ainsi, pour maintenir une
culture à un stade de croissance donne, i.e. à une concentration
cellulaire stable (habituellement en phase logarithmique o~ le
rendement biologique est superieur), il suffit d'exercer une
pression intrafibrillaire superieure au poids de 1~ colonne de culture (60 mm
de Hg et plus), de fason a creer une dilution cellulaire equiva-
lente au rythme de croissance de l'algue. L'excedent de culture
ainsi obtenu sera chasse automatiquement vers un recipient d'e-
chantillonnage (K~ via le tube de deversement (N) (diamètre in-
terne: 1.5 mm) grace a la pression ga~eus~ s'exersant à la par-
tie superieure de la chambre de croissance. La culture sera
acheminee vers ledit recipient d'echantillonnage et le gaz sera
libere au niveau du filtre à air (I). Le prelèvement de l'algue
s'effectue par le tube ~L). Un manomètre (M) situe entre un
debit-m~tre (H) et le dialyseur (C) nous indique la pression
-- 7 --
,~7~t~s~j
in-trafibrillaire qu'on peut ajuster en variant l'ouverture du
tube (J~ a la sortie du dialyseur (C).
En maintenant, par ailleurs, la pression intra-
fibrillaire du dialyseur d'un système non-continu egale au poids
de la colonne de culture (entre 55 et 60 mm de Hg) on obtient
un système en equilibre, sans excedent de culture, le preleve-
ment se faisant au moyen du tube O. Le système opère exclu-
sivement en dialyse et la culture passe par toutes les phases de
croissance, soit logarithmique, lineaire et plateau. Elle at-
-teint un plafonnement de croissance (plateau) qui varie avec les
conditions du milieu (lumiere, sels nutritifs, etc.~.
Des experiences recentes effectuees par le de-
mandeur ont montrees que le debit d'eau de mer dans les fibres
agissait de fa~on tras marquee sur la productivite. Ainsi, chez
Phaeodactylum tricornutum près du double de cellules 18 à 31 x
106 cellules/ml est obtenu au plateau en augmentant le debit de
5.5 à 14.5 L/heure. Pour obtenir de forts rendements, il est
donc souhaitable de maintenir un débit élevé dans le dialyseur.
Ce debit est réglé par le débit-mètre (H).
Les essais en laboratoire du syst8me de culture
selon l'invention utilisant les fibres dialysantes ont éte con-
cluants quant a la capacite de production du ph~vtoplancton marin
(genres diatomees). Chez Phaeodactylum tricornutum les concen-
trations cellulaires atteintes sont de l'ordre de 30 à 40 x 106
cellules/ml avec un poids sec correspondant à 500 mg à 1 g/L,
ce qui représente une production lO ~ 20 fois superieure aux
systèmes de culture traditionnels (statique ou semi-continue)
que le demandeur a testes. Les cultures se sont maintenues
steriles indefiniment avec un changement de dialyseur toutes les
semaines environ, et ce, en dépit d'une forte contamination du
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17~S9~i
milieu utilise. D'autres especes d'algues Skeletonema costatum
en chaine, et Dunaliella tertiolecta ont ete cultivees avec
succes par cet-te methode.
L'appareil du demandeur peut egalement bien
s'adapter a des cultures de phytoplanc-ton d'eau douce pour la
production de proteines algales a partir d'eaux usees domestiques.
