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PROCEDE DE RECUPERATION DE MICROPARTICULES INERTES OU VIVANTES,
SON UTILI SATION ET SON INSTALLATION
La présente invention concerne un procédé, ainsi qu'une
installation de récupération de microparticules inertes ou vivantes, de
préférence de micro-organismes photosynthétiques.
Dans le cadre de la présente invention, le terme générique micro-
organismes photosynthétiques sera utilisé pour désigner des organismes
microscopiques photosynthétiques qui peuvent être unicellulaires ou
pluricellulaires indifférenciés. La présente invention sera d'ailleurs plus
particulièrement décrite en prenant appui sur les micro-organismes
photosynthétiques, tels que des micro-algues, sans toutefois que cela en
constitue une quelconque limitation. De plus, lorsque des micro-organismes
photosynthétiques seront récupérés, on parlera de procédé de récolte .
En outre, on entendra par microparticules inertes des colloïdes
(matières organiques dissoutes), des micro-floculants, des boues, ou encore
des silices.
La culture de micro-organismes photosynthétiques est de nos jours
en plein essor, du fait du potentiel exceptionnel que représentent ces
organismes simples, qui sont capables de capter le gaz carbonique, ainsi que
tous les autres composés gazeux considérés comme des polluants que sont
les NO x (tels que NO2, NO3, et autres composés azotés gazeux ou micronisés)
et les SOx (tels que S02, S204 et autres composés sulfureux gazeux ou
micronisés, soufrés ou hydrogénés) pour synthétiser leur matière organique
par photosynthèse, et ce avec une très grande efficacité surfacique (au moins
dix fois supérieure en matière de production valorisable par rapport aux
productions végétales terrestres cultivées). Les micro-organismes
photosynthétiques sont donc actuellement principalement cultivés dans des
systèmes ouverts, tels que des lagunes ou des bassins. Plus précisément, ils
peuvent être cultivés dans de longs tubes en verre ou dans des bassins dans
des eaux salées, sur-salées, ou encore dans des eaux douces, et offrent ainsi
une possibilité de récolte en continu. Les développements technologiques
récents permettent aussi de cultiver les micro-organismes photosynthétiques
dans des photo-bioréacteurs clos ; ce qui procure l'avantage de mettre en
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oeuvre un procédé de culture de micro-organismes photosynthétiques
spécifiques entièrement contrôlé et sous asepsie.
Ainsi, l'intérêt pour les micro-organismes photosynthétiques s'est
particulièrement accru ces dernières années, du fait de leur utilisation
notamment pour la fabrication de biocarburants, à partir d'huiles extraites
d'algues microscopiques présentes dans le plancton.
Il est connu que la production de biocarburant à base de tournesol,
de soja ou encore de canne à sucre engendre des coûts de production élevés.
Les micro-organismes photosynthétiques offrent quant à eux un rendement
trente fois supérieur à celui des oléagineux (grâce à leur capacité
d'accumulation d'acides gras qui peut représenter jusqu'à 50% de leur poids
sec), avec l'avantage supplémentaire de ne pas nuire à l'environnement.
Les micro-organismes photosynthétiques représentent ainsi une
alternative non concurrentielle aux cultures alimentaires et de surcroît très
intéressante grâce à :
- leur potentiel de développement bien plus élevé,
- la particularité de certaines espèces de micro-organismes
photosynthétiques à produire des réserves de lipides allant jusqu'à 70%
de leur masse, lorsqu'elles sont soumises à des stress tels que la
privation d'azote ou une augmentation brutale de lumière,
- leur absence de besoin de produits zoo- et phytosanitaires pour leur
culture.
Les micro-organismes photosynthétiques présentent en outre
l'avantage de contenir des coproduits valorisables dans divers domaines
d'application tels que:
- la pharmacie et l'agroalimentaire (vitamines, oméga 3, antioxydants,
sucres),
- l'industrie (silice, pigments), et
- la pétrochimie (lipides).
Cependant, un des principaux obstacles aux développements
techniques et économiques de la culture de micro-organismes
photosynthétiques se situe au niveau de leur procédé de récolte, qui doit être
efficace à faibles coûts énergétiques. En effet, à contrario des plantes
terrestres (organismes généralement pluricellulaires et de grande taille) qui
sont aisément récoltables par des moyens mécaniques n'engendrant pas de
coûts énergétiques trop élevés, la mise en oeuvre de la récolte de micro-
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organismes photosynthétiques se heurte au problème de la faible dimension du
produit à récolter, à savoir une taille moyenne comprise entre 0,5 et 60
microns.
De l'état de la technique, les procédés suivants de récolte de
micro-organismes photosynthétiques sont connus:
- la centrifugation, technique efficace mais coûteuse : la récolte de un à
deux kilos d'algues sèches nécessite la centrifugation d'une tonne de
milieu de culture (densité optimale et maximale des cultures d'algues à
récolte à l'heure actuelle) ;
- la floculation représente une technique efficace d'un point de vue
énergétique, mais elle nécessite la mise en oeuvre d'opérations
préalables que sont notamment :
o la floculation spontanée : opération longue, dont les résultats
obtenus sont peu fiables, étant donné que cette opération peut
mettre en péril la qualité des produits récoltés,
o la biofloculation par mélange avec une culture bactérienne :
technique s'avérant coûteuse en termes d'énergie et peu fiable,
o la floculation par choc froid, efficace mais très coûteuse en
énergie,
- la récolte par filtration tangentielle, technique coûteuse en énergie et
souvent destructrice des appendices proéminentes des parois cellulaires
des micro-organismes photosynthétiques ; de plus la présence d'algues
à squelette siliceux est susceptible d'endommager rapidement les parois
filtrantes en limitant donc leur durée de vie.
Ces procédés de récolte de micro-organismes photosynthétiques
s'avèrent non seulement coûteux en énergie, mais peuvent aussi être
destructeurs des micro-organismes photosynthétiques récoltés. Par ailleurs,
ils
nécessitent un entretien permanent des tamis filtrants, notamment s'il existe
des diatomées à capsules siliceuses, la thèque de ces algues détruisant les
tamis filtrants de maille comprise entre 1 et 30 microns.
La présente invention remédie à ces inconvénients en proposant
un procédé de récupération de microparticules inertes ou vivantes parfaitement
adapté à la récolte de micro-organismes photosynthétiques, tels que des
micro-algues, du fait qu'il :
- optimise le coût énergétique de la récupération, et en particulier de la
récolte des micro-organismes photosynthétiques par pré-concentration,
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- préserve l'intégrité des micro-organismes photosynthétiques,
- nécessite des coûts de gestion et de mise en oeuvre faibles,
- rend possible la récolte en continu par l'écrêtage permanent des
cultures.
Le procédé de récupération de microparticules inertes ou vivantes
selon la présente invention comprend les étapes suivantes :
a) on établit une colonne liquide montante sous dépression d'un effluent
aqueux comprenant des microparticules inertes ou vivantes,
- en injectant dans la colonne, du côté bas, une phase gazeuse, ladite
phase gazeuse se répartissant dans la colonne sous forme de bulles, et
- en instaurant une dépression du côté haut de la colonne,
de manière à ce que les bulles soient de diamètre croissant lors de leur
migration vers le haut de la colonne et à obtenir du côté haut de la colonne
une
écume constituée d'un mélange polyphasique de l'effluent aqueux et de la
phase gazeuse,
b) on sépare l'écume en haut de colonne en :
- un effluent polyphasique enrichi en microparticules inertes ou vivantes
par rapport à l'effluent aqueux, ledit effluent polyphasique étant constitué
majoritairement des gaz de la phase gazeuse qui a été éventuellement
modifiée dans sa composition de par les échanges gazeux opérés dans
la colonne,
- un effluent majoritairement liquide appauvri en microparticules inertes ou
vivantes par rapport à l'effluent aqueux et redescendant dans la
colonne,
c) on concentre les microparticules inertes ou vivantes contenues dans
l'effluent polyphasique par séparation des phases dudit effluent
polyphasique en :
- un concentrat constitué d'un liquide comprenant les
microparticules inertes ou vivantes,
- une phase gazeuse constituée des gaz de la phase gazeuse qui
a été éventuellement modifiée dans sa composition de par les
échanges gazeux opérés dans la colonne,
d) on récupère les microparticules inertes ou vivantes au moyen d'une
étape de floculation, suivie d'une étape de sédimentation.
Dans le cadre de la présente invention, on utilise le terme
effluent dans son sens le plus général pour désigner tout fluide émanant
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d'une source polyphasique, à savoir constituée d'un mélange de liquide, de gaz
et d'éléments solides, dont la proportion de chacun de ces trois états peut
être
très variable.
A l'étape b) du procédé selon l'invention, on entend par:
- un effluent polyphasique constitué majoritairement des gaz de la
phase gazeuse , un effluent dont la proportion de gaz présents dans
cet effluent est supérieure ou égale à 90%,
- un effluent majoritairement liquide , un effluent dont la proportion de
liquide présent dans cet effluent est supérieure ou égale à 80%.
Selon ce procédé, des microparticules inertes ou vivantes présentes à
des concentrations comprises entre 0,1 g/m3 et 10 000 g/m3 dans un effluent
aqueux peuvent être récupérées. La concentration de l'effluent aqueux en
microparticules inertes ou vivantes va dépendre du type d'application auquel
est destiné le procédé.
En effet, le procédé selon l'invention présente l'avantage de
pouvoir être mis en oeuvre dans une gamme de concentrations en
microparticules vivantes ou inertes présentes dans un effluent aqueux très
étendue, et donc de pouvoir être utilisé dans des domaines d'applications
techniques très variés qui sont décrits ci-après.
De plus, le procédé selon l'invention pouvant fonctionner en
continu, il est possible d'adapter le taux de récupération des microparticules
inertes ou vivantes présentes dans un effluent aqueux en fonction du coût
énergétique souhaité : ce qui dépend du domaine d'application du procédé. En
particulier, du fait d'un fonctionnement possible en boucle fermée, le procédé
selon l'invention pourra être mis en oeuvre un certain nombre de fois sur
l'effluent aqueux contenant des microparticules inertes ou vivantes de manière
à augmenter le taux de récupération desdites microparticules inertes ou
vivantes.
Le procédé selon l'invention permet de récupérer des
microparticules inertes ou vivantes pouvant être concentrées entre 10 et 30
fois, voire entre 100 et 1000, par rapport à celles présentes dans l'effluent
aqueux auquel est appliqué le procédé.
Le procédé selon l'invention peut être utilisé dans le domaine
d'application d'épuration des eaux de ville en récupérant des flots
bactériens,
des colloïdes, des microparticules résiduelles inertes telles que des argiles,
des
boues ou encore des silices, la concentration en microparticules dans
l'effluent
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aqueux étant comprise entre 5 et 10 g/L. Le procédé permet d'obtenir des eaux
pures, après récupération desdites microparticules, à une concentration
résiduelle en ces microparticules de l'ordre de 10-3 g/L.
Le procédé selon l'invention peut être utilisé en exploitation
pétrolière off-shore, à savoir pour pré-filtrer (à 80-90%) l'eau de mer
utilisée en
fluide de chasse du pétrole brut dans les roches mères pétrogénées. Pour
cette utilisation, la concentration en microparticules dans l'effluent aqueux
est
de l'ordre de 0,1 g/m3. Il peut en effet être recherché une épuration de l'eau
de
mer au large ou côtière de toute microparticule de taille supérieure au pore
de
la roche mère, soit de l'ordre de 5 pm. Cette utilisation du procédé permet
une
pré-filtration de l'eau de mer à faible coût, et ce avant une filtration
totale par un
procédé plus coûteux et plus fragile tel qu'une filtration tangentielle.
Une autre application du procédé peut être du domaine de
l'écloserie de mollusques, à savoir pour séparer les micro-algues nourricières
présentes dans les eaux d'élevage de telles écloseries, avant la stérilisation
par ultra-violet (le milieu à stériliser devant être transparent). Grâce à ce
procédé, les algues ainsi séparées restent vivantes et peuvent être
réinjectées
dans le circuit d'eau d'élevage une fois la stérilisation effectuée. Pour
cette
application, la concentration en microparticules de l'effluent aqueux peut
être
comprise entre 10 g/m3 et 100 g/m3.
Une utilisation préférée du procédé selon l'invention est la récolte
de micro-algues, la concentration en micro-algues dans l'effluent aqueux
pouvant être comprise entre 100 g/m3 et 10 000 g/m3, de préférence entre
5 000 g/m3 et 10 000 g/m3. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir des
micro-algues concentrées à une concentration comprise entre 10 et 20 g/L, et
ainsi de concentrer l'effluent aqueux initial 20 à 30 fois lorsque la
concentration
de la biomasse est de l'ordre de 0,5 à 1 g de matière sèche par litre de
culture,
voire même de le concentrer de 100 à 1000 fois lorsque la concentration en
micro-algues de l'effluent aqueux est plus faible, à savoir inférieure à 0,05
g/L.
Une autre application du procédé selon l'invention consiste en
l'épuration d'eaux d'aquarium, ou encore de bassins d'élevage d'animaux
d'aquaculture, par la filtration de microparticules (colloïdes et de
particules
fines telles que des protéines) de taille de l'ordre de 0,01 pm, et ce de
manière
à obtenir des eaux résiduelles pures de l'ordre de 0,001 g/L de matières
en
suspension présentes dans l'eau de l'aquarium.
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Ainsi, un objet de la présente invention est un procédé d'épuration
d'eaux de bassins d'élevage d'animaux d'aquaculture qui comprend les étapes
suivantes :
a) on établit une colonne liquide montante sous dépression d'un effluent
aqueux provenant d'une première source, ladite première source étant
un bassin d'élevage d'animaux d'aquaculture, dans lequel est
éventuellement injecté de l'oxygène, ledit effluent aqueux comprenant
des fèces, des colloïdes, des particules fines telles que des protéines, et
des gaz dissous tels que de l'ammoniaque, du diazote et du dioxyde de
carbone, produits par les animaux d'aquaculture,
- en injectant dans la colonne du côté bas une phase gazeuse
constituée d'air et éventuellement d'ozone, ladite phase gazeuse
se répartissant dans la colonne sous forme de bulles, et
- en instaurant une dépression du côté haut de la colonne,
de manière à ce que les bulles soient de diamètre croissant lors de leur
migration vers le haut de la colonne et à obtenir du côté haut de la
colonne une écume constituée d'un mélange polyphasique de l'effluent
aqueux et de la phase gazeuse,
b) on sépare l'écume en haut de colonne en :
- un effluent polyphasique enrichi en les fèces, les colloïdes, les particules
fines, les gaz dissous par rapport à l'effluent aqueux, ledit effluent
polyphasique étant constitué majoritairement des gaz de la phase
gazeuse qui a été éventuellement modifiée dans sa composition de par
les échanges gazeux opérés dans la colonne,
- un effluent majoritairement liquide redescendant dans la colonne qui est
appauvri en les fèces, les colloïdes, et les gaz dissous par rapport à
l'effluent aqueux, et dans lequel est éventuellement injecté de l'oxygène,
c) on concentre les fèces, les colloïdes, les particules fines contenus dans
l'effluent polyphasique par séparation des phases dudit effluent
polyphasique en :
- un concentrat constitué d'un liquide comprenant les fèces, les colloïdes
les particules fines,
- une phase gazeuse qui est constituée des gaz de la phase gazeuse qui
a été éventuellement modifiée dans sa composition de par les échanges
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gazeux opérés dans la colonne avec les gaz dissous de l'effluent
aqueux,
d) on récupère les fèces, les colloïdes, les particules fines.
L'injection d'oxygène dans l'effluent majoritairement liquide
redescendant dans la colonne a pour effet de renouveler l'oxygène présent
dans le bassin d'élevage d'animaux d'aquaculture, et est complémentaire de
l'injection directe dans le bassin de culture qui peut aussi être effectuée.
Un mode de réalisation préféré du procédé d'épuration d'eaux de
bassins d'élevage d'animaux d'aquaculture se caractérise en ce que l'effluent
aqueux provient en outre d'une seconde source. Cette seconde source est un
filtre bactérien à lit agité, dans lequel les rejets azotés, et éventuellement
carbonés, produits par les animaux d'aquaculture et provenant de la première
source sont transformés en un bio-film sous forme particulaire de nitrates qui
est libéré en continu par ledit filtre bactérien à lit agité. Selon ce mode de
réalisation préféré du procédé, on récupère à l'issue de l'étape d) de ce
procédé les fèces, les colloïdes, les particules fines, le bio-film libéré.
Le procédé selon l'invention repose notamment sur le principe
physique de l'adsorption par tension superficielle de microparticules
présentes
dans un liquide à la périphérie de bulles créées par l'injection d'une phase
gazeuse, par exemple de l'air, dans ledit liquide.
Ainsi, le procédé selon l'invention est d'autant plus efficace de par
le maintien de la dépression en haut de colonne qui permet l'augmentation
régulière du diamètre des bulles créées du côté bas de la colonne au fur et à
mesure de leur migration vers le côté haut de la colonne et ainsi la formation
d'une écume en haut de colonne. Cela améliore la flottabilité intrinsèque de
chaque bulle. Cela permet aussi l'utilisation en bas de colonne de très
petites
bulles, particulièrement absorbantes pour les microparticules inertes ou
vivantes. Ces dernières se retrouveront alors dans l'écume obtenue en haut de
colonne. Plus la taille des bulles est petite, plus le phénomène d'adsorption
bulle de gaz/microparticules inertes ou vivantes de l'effluent aqueux est
important, et meilleur sera donc le rendement de récupération des
microparticules inertes ou vivantes selon le procédé selon l'invention. Ainsi,
dans un mode de réalisation préféré de l'invention, on injecte une phase
gazeuse générant des bulles les plus petites possible, à savoir de taille
inférieure à 5 mm, préférentiellement inférieure à 1 mm. Avantageusement, on
injecte une phase gazeuse finement micronisée par un dispositif adéquat.
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De plus, grâce à ce phénomène de dépression maintenu en haut
de colonne, des bulles de la phase gazeuse de petit diamètre peuvent monter
en haut de colonne, ce qui serait impossible à pression atmosphérique.
Aussi, il est à noter que lorsque les microparticules inertes (telles
que les microparticules de produits pétroliers) ou vivantes (telles que les
micro-
algues qui contiennent de l'oxygène) contiennent des gaz dissous, la
dépression active la migration vers le haut et l'extraction dans l'écume d'un
effluent polyphasique enrichi en microparticules inertes ou vivantes de par
l'expansion de ces gaz que contiennent lesdites microparticules.
Dans un mode de réalisation de l'invention, des tensioactifs sont
ajoutés à l'effluent aqueux, et ce afin d'améliorer le phénomène d'adsorption
bulle de gaz/microparticule inerte ou vivante. Ils peuvent être récupérés par
recyclage par l'effet de moussage ou d'écumage qui se produit en haut de
colonne.
La dépression peut être instaurée par tout système de dépression.
Avantageusement, la pression est comprise entre 0,3 105 et 0,9 105 Pa. Dans
un mode de réalisation préféré de l'invention, la dépression est instaurée au
moyen d'une pompe à vide. La hauteur de la colonne est préférentiellement
comprise entre 1 et 6 m. Ainsi, dans le domaine d'application de la récolte de
micro-algues, la longueur et le temps du parcours de contact de l'effluent
aqueux avec la phase gazeuse sont largement supérieurs à ceux des
écumeurs classiques à chicanes, flottants, dont la hauteur ne dépasse pas un
mètre (la longueur totale de parcours n'excédant pas deux mètres). En effet,
la
longueur est au minimum égale à la hauteur de la colonne et peut atteindre
jusqu'à 2 à 3 fois cette hauteur (soit environ de 6 à 18 mètres) du fait de
phénomènes de recirculations des bulles dans la colonne. Cette longueur de
parcours et sa durée sont primordiales pour tout ce qui concerne les effets
d'écumage et d'échange gazeux.
La phase gazeuse injectée du côté bas de la colonne peut être de
l'air, du dioxyde de carbone ou tout autre gaz convenable en surpression ou à
pression atmosphérique.
La séparation de phases de l'effluent polyphasique à l'étape c) du
procédé selon l'invention peut être réalisée dans un dispositif de
concentration
conçu de manière à ce que :
- le concentrat comprenant les microparticules inertes ou vivantes soit
évacué par effet de gravité vers un bassin de collecte desdites
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microparticules, éventuellement après un passage dans une chambre
de décantation, et que
- la phase gazeuse soit aspirée.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'aspiration de
la phase gazeuse peut être réalisée par le même système qui instaure la
dépression en haut de colonne, telle qu'une pompe à vide. De manière tout à
fait avantageuse, le dispositif de concentration consiste en un séparateur
d'écume qui comprend une grille anti-mousse et un système de flotteur lesté.
Si les microparticules inertes ou vivantes floculent spontanément,
elles peuvent être récupérées lors de l'étape d) du procédé de récupération
selon l'invention sous la forme d'un floculat par tout système d'extraction
adéquat tel que:
- système de pompage, par exemple pompe péristaltique,
- vis d'Archimède.
A cet égard, on entend par floculation spontanée une agrégation
spontanée de microparticules en particules plus grosses jusqu'à la
sédimentation spontanée. Les micro-algues floculent spontanément.
Si les microparticules inertes ou vivantes ne floculent pas spontanément,
elles peuvent être récupérées par tout procédé de concentration connu de
l'homme du métier, tel que la centrifugation.
Il est à noter que de manière très générale, le procédé selon
l'invention décrit ci-dessus peut éventuellement être complété par au moins
une étape choisie parmi les étapes de lavage, de centrifugation et de séchage.
La présente invention concerne aussi une installation de
récupération de microparticules inertes ou vivantes, de préférence une
installation de récolte de micro-organismes photosynthétiques pour la mise en
oeuvre du procédé selon l'invention.
L'installation de récupération de microparticules vivantes ou inertes
selon l'invention comprend :
a) une colonne comprenant :
i. deux tubes concentriques, le premier tube étant un tube extérieur
et le second tube étant un tube intérieur, disposés verticalement,
ménageant ainsi :
- une enceinte tubulaire interne dans laquelle entre par une
entrée de colonne située du côté bas de la colonne et
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circule de manière ascendante un effluent aqueux
comprenant des microparticules vivantes ou inertes, et
- une enceinte tubulaire externe dans laquelle circule de
manière descendante un effluent majoritairement liquide
appauvri en microparticules vivantes ou inertes par rapport
à l'effluent aqueux, et qui sort de la colonne par une sortie
de colonne située du côté bas de la colonne,
ii. un moyen d'injection d'une phase gazeuse dans l'enceinte
tubulaire interne,
le tube extérieur étant fermé dans sa partie supérieure au-dessus de
l'extrémité supérieure ouverte du tube intérieur ménageant un
espace dans lequel se forme une écume constituée d'un mélange
polyphasique de l'effluent aqueux et de la phase gazeuse lors de la
mise en oeuvre du procédé selon l'invention,
iii. un moyen de mise sous dépression de la colonne et qui assure
l'aspiration d'un effluent polyphasique enrichi en microparticules
vivantes ou inertes par rapport à l'effluent aqueux et qui est
constitué majoritairement des gaz de la phase gazeuse qui a été
éventuellement modifiée dans sa composition de par les
échanges gazeux opérés dans la colonne,
b) un dispositif de concentration des microparticules vivantes ou inertes
contenues dans l'effluent polyphasique,
c) un dispositif de récupération desdites microparticules inertes ou
vivantes concentrées dans le dispositif de concentration.
De manière préférée, l'installation de récupération de
microparticules vivantes ou inertes selon l'invention comprend en outre un
dispositif de régulation et de sécurisation des niveaux.
Avantageusement, le dispositif de concentration de l'installation de
récupération de microparticules vivantes ou inertes comprend un séparateur
d'écume.
De manière préférée, le dispositif de récupération de l'installation
de récupération de microparticules vivantes ou inertes comprend une chambre
de décantation, un bassin de collecte, une pompe péristaltique et un bassin de
récupération.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'installation de
récupération de microparticules vivantes ou inertes comprend une pluralité de
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colonnes, de préférence une soixantaine, et un seul moyen de mise sous
dépression. Très avantageusement, l'installation comprend une pluralité de
colonnes dimensionnées de manière à ce que le débit de l'effluent aqueux soit
égal à 3 à 5 fois le débit de la phase gazeuse injectée.
De manière préférée, l'installation de récupération de
microparticules vivantes ou inertes selon l'invention comprend en outre autant
de dispositifs de régulation et de sécurisation des niveaux que de colonnes.
L'installation de récupération de microparticules vivantes ou inertes
selon l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée qui
est
exposée ci-dessous au regard du dessin annexé représentant, à titre
d'exemple non limitatif, une forme d'exécution d'un telle installation.
La figure 1 représente de manière schématique une installation de
récolte de micro-algues mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. Cette
installation comprend une colonne 1 qui est constituée par deux tubes
concentriques 2,3: un premier tube extérieur 3 et un second tube intérieur 2.
Les deux tubes 2,3 sont disposés verticalement de manière à ménager une
enceinte tubulaire interne 22 dans laquelle circule de manière ascendante un
effluent aqueux 5 comprenant des micro-algues. L'effluent aqueux entre par
une entrée de colonne 20 située du côté bas de la colonne 1. Cette entrée de
colonne 20 est immergée dans un bassin de culture de micro-algues 8. La
colonne 1 n'est pas immergée dans le bassin de culture de micro-algues 8.
Les deux tubes 2,3 ménagent aussi une enceinte tubulaire externe
23, dans laquelle circule de manière descendante un effluent majoritairement
liquide 6 qui est appauvri en micro-algues par rapport à l'effluent aqueux 5,
et
qui sort de la colonne 1 par une sortie de colonne 21, située du côté bas de
ladite colonne 1. Cette colonne 21 est immergée dans le bassin de culture de
micro-algues 8.
La colonne 1 comprend un moyen d'injection 4 dans l'enceinte
tubulaire interne 22 d'une phase gazeuse constituée d'air. Le tube extérieur
23
est fermé dans sa partie supérieure au-dessus de l'extrémité supérieure
ouverte du tube intérieur 22 de manière à ménager un espace 25 dans lequel
se forme une écume 7 qui est constituée d'un mélange polyphasique de
l'effluent aqueux 5 et de la phase gazeuse lors de la mise en oeuvre du
procédé selon l'invention,
Dans un autre mode de réalisation de l'invention non représenté,
l'effluent aqueux 5 est soutiré d'une installation de stockage, par exemple un
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bassin de culture de micro-algues, à l'aide d'un moyen mécanique pour être
acheminé au niveau de l'entrée de colonne 20 de la colonne 1. L'effluent
majoritairement liquide 6 appauvri en micro-algues sorti de la sortie de
colonne
21 de ladite colonne 1 peut être réintroduit dans cette installation de
stockage,
éventuellement à l'aide d'un autre moyen mécanique Dans ce cas, l'installation
fonctionne en continu. Ainsi, les micro-algues contenues dans l'effluent
majoritairement liquide 6 appauvri en micro-algues sont réintroduites dans
l'installation de stockage pour être à nouveau soutirées de l'installation de
stockage et être acheminées à l'entrée 20 de la colonne 1.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'effluent
majoritairement liquide 6 sorti de la sortie 21 est introduit dans une autre
unité
de stockage.
Dans un mode de réalisation de l'invention non représenté, la
colonne 1, ainsi que les entrée de colonne 20 et sortie de colonne 21 sont
immergées dans un bassin qui contient des microparticules inertes ou vivantes
à récupérer.
Dans l'installation représentée à la figure 1, le moyen de mise sous
dépression 9 de la colonne 1 consiste en une pompe à vide, dont la pression
est fixée à environ 0,4 bar.
L'installation représentée à la figure 1 comprend un dispositif de
concentration 34 qui comprend un séparateur d'écume 10,
L'effluent polyphasique issu de la séparation en haut de colonne 1
de l'écume 7 est acheminé jusqu'au séparateur d'écume 10 par l'intermédiaire
d'un tuyau 24. Le séparateur d'écume 10 se présente sous la forme d'un bac
de recueillement 36 qui comprend une grille anti-mousse 26 et un flotteur
lesté
27. Le séparateur d'écume 10 est conçu de manière à ce que au fur et à
mesure que l'effluent polyphasique est injecté dans le bac de recueillement
36,
la séparation de phases de l'étape c) du procédé selon l'invention s'opère
grâce au mouvement vertical du flotteur lesté 27. Le séparateur d'écume 10 est
relié à la pompe à vide 9 par un tuyau 33. Ainsi, au niveau du séparateur
d'écume 10, la phase gazeuse qui est constituée des gaz de la phase
gazeuse, qui a été éventuellement modifiée dans sa composition de par les
échanges gazeux opérés dans la colonne 1, est aspirée vers la pompe à vide 9
au travers le tuyau 33. Il est à noter que la phase gazeuse ainsi aspirée peut
passer par une chambre de barbotage (non représentée sur la figure 1) de
manière à protéger la pompe à vide 9.
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Comme représenté sur la figure 1, le dispositif de concentration 34
comprend en outre une vanne motorisée 13
Comme représenté sur la figure 1, le dispositif de récupération 35
des micro-algues comprend :
- une chambre de décantation 12,
- des capteurs de niveaux 15 de la chambre de décantation 12,
- une vanne motorisée 17,
- un bassin de collecte 14,
- une vanne motorisée 16,
- une pompe péristaltique 18,
- un bassin de récupération 19.
L'installation de récupération de micro-algues représentée à la
figure 1 comprend en outre un dispositif de régulation et de sécurisation des
niveaux 28. Ce dispositif de régulation et de sécurisation des niveaux 28
consiste en une chambre 29 ayant la forme d'un cylindre d'environ 7 cm de
diamètre et de 10 cm de hauteur, disposée en regard de niveau avec le niveau
d'écume 7 de consigne que l'on souhaite imposer à la colonne 1.
La chambre 29 est reliée :
- en partie haute avec la partie sommitale de la colonne 1 par un premier
moyen de raccordement 30, tel qu'un tubule souple (par exemple de
section pouvant être comprise entre 0,5 et 3,5 cm),
- en partie basse avec l'extrémité inférieure de la colonne 1 opposée à la
partie sommitale de la colonne 1, et ce par un second moyen de
raccordement 31 tel qu'un tube semi-rigide,
et ce de manière à ce que le niveau médian de l'interface gaz/liquide en haut
de la colonne 1 par nature peu lisible du fait de l'écume 7 et de l'agitation
de
celle-ci soit parfaitement lisible dans cette chambre 29 grâce à une interface
air/eau débarrassée d'écume 7 et d'agitation mais répliquant fidèlement par le
principe des vases communicants (à savoir que le fluide est à la même hauteur
dans deux vases communicants) l'interface gaz/liquide de la colonne 1.
La chambre 29 comprend en outre deux capteurs de niveaux 11,32 :
- un premier capteur 11 pour détecter la limite supérieure du niveau de
l'interface air/eau qui ne doit pas être dépassée dans la chambre 29 :
consigne haute,
- un second capteur 32 pour détecter la limite inférieure du niveau de
l'interface air/eau qui ne doit pas être dépassée dans la chambre 29,
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De manière tout à fait avantageuse, le premier capteur 11 est relié à un
dispositif de contrôle du débit de l'effluent polyphasique enrichi en
microparticules inertes ou vivantes par rapport à l'effluent aqueux (non
représenté sur la figure 1). Et aussi avantageusement, le second capteur 32
est relié à un dispositif de contrôle du débit de la phase gazeuse injectée en
bas de la colonne 1 (non représenté sur la figure 1). Préférentiellement, les
dispositifs de contrôle de débits précités consistent en des électrovannes.
Ainsi, si le niveau de l'interface air/eau de la chambre 29 est en dessous
de la limite inférieure précitée, cela signifie que l'effluent polyphasique
n'est
pas extrait en haut de colonne 1, mais au contraire il s'agit de l'effluent
majoritairement liquide 6 qui est extrait ; ce qui est significatif d'un
mauvais
fonctionnement de l'installation selon l'invention. Si le niveau de
l'interface
air/eau de la chambre 29 est en dessous de la limite inférieure précitée, cela
signifie que l'effluent polyphasique n'est pas extrait en haut de colonne,
mais
qu'il s'agit d'air qui est aspiré en haut de colonne ; ce qui est aussi
significatif
d'un mauvais fonctionnement de l'installation selon l'invention.
Ainsi, le dispositif de régulation 28 décrit ci-dessus permet de
veiller au bon fonctionnement de l'installation selon l'invention.
De plus, grâce à ce dispositif de régulation 28 décrit ci-dessus, les
débits de l'effluent polyphasique et de la phase gazeuse injectée en bas de
colonne peuvent être régulés de manière à ce que l'effluent polyphasique soit
bien extrait en haut de colonne au moyen du moyen de mise sous dépression 9
qui instaure la dépression dans toute l'installation selon l'invention, et non
pas
que l'effluent majoritairement liquide 6 appauvri en microparticules inertes
ou
vivantes soit extrait en haut de colonne ; ce qui qui risquerait d'endommager
le
moyen de mise sous dépression 9 en le noyant.
Dans un mode de réalisation de l'invention non représenté à la
figure 1, l'installation comprend une pluralité de colonnes 1, par exemple au
nombre de soixante, dont les entrées de colonne 20 et sortie de colonne 21
sont immergées dans des bassins de culture 8. Les colonnes 1 ne sont pas
immergées dans les bassins de culture 8. De plus, les colonnes 1 sont mises
sous dépression au moyen d'un unique moyen de mise sous dépression 9.
Ainsi, selon ce mode de réalisation de l'invention, le vide instauré
par le moyen de mise sous dépression 9 est centralisé, ce qui assure la
résilience de l'installation en cas de panne au niveau d'une des colonnes 1.
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De plus, dans un mode de réalisation préféré, l'installation de
récupération de microparticules vivantes ou inertes selon l'invention comprend
en outre autant de dispositifs de régulation et de sécurisation des niveaux 28
que de colonnes 1. Ainsi, dans ce mode de réalisation un dispositif de
régulation et de sécurisation des niveaux 28 distinct est relié à chacune des
colonnes 1, et ce tel que décrit ci-dessus.
Une simulation des coûts d'extraction obtenus en fonction du
volume d'écumat extrait à partir d'une installation de récupération de
microalgues mettant en oeuvre le procédé de récupération de microalgues
selon l'invention a été réalisée.
Les espèces de microalgues extraites étaient les suivantes :
- Dunaliella Sp,
- Tetraselmis Sp,
- Nannocloropsis Sp,
- Chlorococum Sp,
- Skelotenema Sp,
- Navicula Sp,
- Spirulina platensis.
Les résultats obtenus sont exprimés dans le tableau 1 suivant.
Poids Volume réel
Volume matière à
écumat EC Concentrat sèche de Consommation Coût récolter par
extrait microalgues microalgues énergétique extraction kg de
(L/30min) (g/L) (g) (KW/30min) (E/Kg) microalgues
1 65.3 58.2 58.2 0.028 0.0392 17.19
3 37.7 33.6 100.7 0.028 0.0227 29.79
4 29.1 25.9 103.7 0.028 0.0220 38.57
10 14.8 13.2 131.9 0.028 0.0173 75.82
20 8.5 7.6 151.9 0.028 0.0150 131.71
35 5.8 5.2 180.8 0.028 0.0126 193.55
45 4.8 4.3 191.5 0.028 0.0119 235.04
Tableau 1 : Simulation des coûts d'extraction
Dans le tableau 1, le volume réel à récolter par kg de microalgues
signifie le volume de concentrat de microalgues obtenu à l'issue de l'étape c)
du procédé de récupération selon l'invention.
Le terme EC est le facteur de concentration, dont la définition
est la suivante : concentration du concentrat en microalgues (exprimé en g de
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matière sèche /L de culture) divisé par la concentration de la culture à
récolter
(exprimé en g de matière sèche /L de culture).
Le coût d'extraction est exprimé en euros/kg.
D'après la publication de Molina Grima EM et al. (2003) intitulée
Recovery of microalgal biomass and metabolites : process options and
economics, Biotechnology Advances 20:491-515 ou la publication d'Olaizola M.
et al. (2003) Commercial development of microalgal biotechnology : from the
test tube to the marketplace. Biomolecular Engineering 20: 459-466, les coûts
totaux de production de microalgues sont compris entre 5 à 70 dollars US par
kg de matière sèche récoltée pour un coût d'extraction comptant pour 25% à
30% de ce coût total de production. Cela représente un coût d'extraction de
l'ordre de 2 à 15 dollars US.
On relève ainsi le très faible coût d'extraction de microalgues grâce
au procédé de récupération et à une installation de récupération de
microalgues selon la présente invention par rapport aux coûts d'extraction de
microalgues qui ont fait l'objet de publications. La présente invention est
ainsi
tout particulièrement avantageuse pour la récolte de microalgues.
Le tableau 2 ci-dessous présente un comparatif de différents
paramètres que sont l'amortissement, l'énergie, la main-d'oeuvre et le coût
global d'extraction de microalgues selon différentes techniques que sont :
- la centrifugation,
- la flocuation,
- la biofloculation,
- un dispositif de récupération de microalgues selon
l'invention.
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Dispositif
Ã/Kg pour une matière
sèche à 100 g/L Centrifugation
Floculation Bio-floculation . selon
l'invention
amortissement sur 5
ans
/masse (kg) de
microalgues récoltée 4 à 5
0,01 0,01 0,01
annuellement
énergie
1,5 0,01 0,01
0,0119
main-d'oeuvre
1 -1,5 2 - 5 2 - 8
0,05 - 0,5
coût global de 6 - 8 2,22 -
5,22 2,12 - 8,12 0,08 - 0,8
l'extraction
Tableau 2
D'après le tableau 2, on relève que le dispositif de récupération de
microalgues est tout particulièrement avantageux d'un point de vue
économique par rapport aux autres techniques de récupération de microalgues
connues et mises en oeuvre. En effet, grâce au procédé de récupération et au
dispositif de récupération selon la présente invention, on constate une
significative réduction des coûts d'extraction de microalgues.
La présente invention permet ainsi de surmonter un problème
technologique crucial que représente la récolte des microalgues lors de la
culture de microalgues. Elle propose en effet un procédé de récupération de
microalgues tout à fait économique comparé aux techniques connues de
récolte de microalgues. Ce qui est tout à fait avantageux dans le processus de
culture de microalgues.
