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Photobioréacteur en milieu fermé pour la culture de
micro-organismes photosynthétiques
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 CO2, 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
(W02008070281, W02008055190, W02008060571).
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
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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'encombrement 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 micro-
algues 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 micro-
algue 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.
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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 A = 0.5cm. Pour un
réacteur d'1 m3, avec une surface de 1 m2 d'éclairement (source de lumière
plane de 1m2), le volume de liquide biologique concerné sera seulement de
1/200 m3. 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/Vo, où S est la surface éclairée (à la bonne
puissance) dans le volume Vo du réacteur, et A la profondeur de pénétration
de la lumière.
V, étant le volume des éléments éclairants dispersés dans le réacteur
la production en Masse M peut s'exprimer par la relation : M= (Vo- Ve) d
Ces deux relations doivent être maximisées simultanément.
Diverses tentatives technologiques pour chercher cette double
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 microalgues à l'aide de fibres optiques (US6156561 et
EP0935991).
Les fibres optiques peuvent être associées à d'autres moyens
immergés guidant la lumière à l'intérieur de l'enceinte (JP2001178443 et
DE29819259).
L'inconvénient majeur est que cette solution ne permet d'atteindre que
des rendements (lumière produite)/(lumière 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 lumière des fibres
optiques immergées dans le milieu de culture, il est nécessaire de faire un
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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 W02007047805).
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'émission 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
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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 lumière 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
nouvelle façon particulièrement 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 lumière, 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 micro-
organismes photosynthétiques, de préférence de microalgues, comprenant au
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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 lumière 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 sem i-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 diminue en
s'éloignant de la source lumineuse ;
= l'élément diffuseur de lumière est en polyméthacrylate de méthyle ;
= la source lumineuse est une source quasi-ponctuelle, et l'élément
diffuseur de lumière est un tube diffuseur ;
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= la source lumineuse est une source linéaire, et l'élément diffuseur de
lumière est un parallélépipède diffuseur ;
= la source lumineuse 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'extrémité de l'élément diffuseur de lumière opposée à la source
lumineuse est pourvue d'un miroir ;
= l'extrémité de l'élément diffuseur de lumière 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.
Un deuxième aspect de 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
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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 la-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 10\A/ électriques, et émettant aux environs de la longueur d'onde
d'absorption de la chlorophylle (650 nm - 680nm).
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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 milieu 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 lumière 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 lumineuses 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 simplifié d'un photobioréacteur selon l'invention est
représenté sur la figure la.
Ce photobioréacteur, destiné à la culture notamment en continu de
micro-organismes photosynthétiques, de préférence de microalgues,
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.
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On distinguera par la suite le cas où la source lumineuse 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
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 1W, voire de puissance supérieure à
10W. La suite de la présente description fera par conséquent essentiellement
15 Dans tous les cas, les sources lumineuses 2 peuvent aussi bien être
monochromatiques que polychromatiques, que ce soit naturellement ou par
juxtaposition de sources lumineuses monochromatiques émettant à des
longueurs d'onde différentes. On notera qu'il est possible d'obtenir
directement des LEDs multi-spectrales par empilement de semi-conducteurs
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
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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
avantageusement une symétrie centrale pour respecter l'émission
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 e par rapport à la surface du tube le
coefficient
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de transmission à travers le tube passe de quasiment 1 pour un angle
d'attaque de 0=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 la. On suppose que l'indice du tube diffuseur 4 est
proche de 1,5.
Avantageusement, comme l'on voit également sur la figure la, 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 lumineux 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
réalisable est d'utiliser 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 la-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
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même, à peu de choses près, que ceux de l'eau et du verre, il n'y aura pas de
lumière 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 lb.
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 lumière 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.
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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 lumière 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.
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Ces traitements de surface interne/externe, dont on voit un exemple
sur la figure lc, 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 (AI, 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 gammes 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
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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'aluminium 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 diffuseur 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 lumière. Par rugosité
adaptée, on entend notamment une rugosité à des échelles comparables ou
supérieures à la longueur d'onde de la lumière utilisée.
Il 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 1d 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.
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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 miroir 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 la). Divers exemples des
géométries de miroir 42 sont également visibles sur les figures la-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 liberté
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.
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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 limitée 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
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 importante, 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
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de refroidissement 12, appelé caloduc , constitué de deux plaques
métalliques entre lesquelles on fera circuler un liquide de grande
conductibilité
thermique, de l'air pulsé, 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 121 et 122 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 température d'embase 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 émissive 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 11 entourant la gaine 10.
Le racleur de nettoyage 11, 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.
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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 12) 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 suite de la description, à titre d'exemple, un
photobioréacteur comprenant une unique enceinte de culture 1 cubique
conforme à la figure 4, d'un volume global de 1m3 (volume du milieu 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 1m 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 ()Leff ).
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Ce paramètre est défini à partir de la longueur de pénétration
caractéristique A, 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 ieff dit seuil 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
m2 par seconde, correspond au niveau de flux lumineux minimum pour
amorcer la production de biomasse par les micro-organismes. Il vaut
typiquement 50 pmoles.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.
Aeff est défini comme la distance au-delà de laquelle le flux lumineux
tombe en-dessous du seuil ieff=
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 10:
/(x)=10e-" .
Aeff
D'où ieff =10e , et Aeff = Al n() ).
Ieff
Aeff 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
Aeff 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 Aeff d'un tube
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diffuseur 4. La distance moyenne entre deux tubes est donc
avantageusement de l'ordre de 2 Aeff
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= Aeff =10mm, on remplit alors
une enceinte de culture 1 cubique de 1m3 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 Aeff + d/2. 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 13 à sparger aptes à injecter ces bulles de façon
contrôlée à la base du milieu de culture 3.
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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 Aeff. La condition d'efficacité de ce moyennage de la
quantité de lumière reçue par chaque microalgue est que le temps 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-lift 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.
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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 lumière,
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'une façon générale ces paramètres seront régulés 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 utilisation peut être pour des applications énergétiques
(production de biocarburants), industrielles (production de pigments),
agroalimentaires (production d'oméga-3 et d'acides gras polyinsaturés), de
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dépollution (purification de rejets en dioxyde de carbone, NOx et/ou S0x)
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 lm 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 =3 . 8 mm
(concentration de 108 cellules/mL) ;
= Algues du genre Nannochloris de masse unitaire 10-11 g (masse
biologique de 1 g/L par conséquent), seuil d'efficacité ieff = 50 pmoles.m-2.s-
1 ;
= Arrangement carré des tubes lumineux.
En considérant que les tubes diffuseurs 4 présentent une longueur de
lm égale au coté de l'enceinte de culture 1, on calcule une surface latérale
de
314 cm2 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 VV/m2
(à la surface des tubes), soit 432 pmole. m-2 s-1.
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Il faut à présent convertir cette valeur en moles de photons par m2 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 6,02.1023 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 pmoles.m-2.s-1.
En utilisant la formule mentionnée plus haut dans la description, on
obtient une longueur efficace Aeff =8,5 mm.
L'arrangement carré décrit plus haut prévoit un écart de 2 Aeff 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 43m2, et la consommation
électrique instantanée des LEDs 2 est alors 13,7 kW, dont 10,28kVVth à
dissiper.
Le volume de milieu de culture 3 dans l'enceinte de culture 1
correspond au volume total de 1m3 moins le volume des 1369 tubes
diffuseurs 4. Il vaut 0,89 m3. Le volume quand à lui éclairé efficacement ,
c'est-à-dire dans la couronne de largeur Aeff autour de chaque tube diffuseur
4 peut être calculé à 0,67m3.
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 m3, en consommant 329 kVVh/j
d'électricité.
On note que par rapport à un éclairage d'une face de 1m2 et un volume
de 1m3 , on a gagné un facteur 43 dans l'efficacité brute du réacteur, chiffre
qui compte tenu de l'hydrodynamique du réacteur est à multiplier par un
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facteur 2, puisqu' ici on considère que le volume éclairé est à multiplier par
le
facteur Aeff/A.
