Un fotobioreactor este un sistem care asigură producția de microorganisme fotosintetice suspendate în apă, cum ar fi bacteriile fotosintetice, cianobacteriile, microalga eucariotă , celulele izolate ale multicelularelor plante , plantele mici, cum ar fi gametofiții macroalgi și protonematele de mușchi . Această producție are loc prin cultură, cel mai adesea clonală, într-un mediu apos sub iluminare. Amplificarea la volume industriale care pot atinge sute de metri cubi se realizează în etape succesive în care volumul unei etape este folosit pentru a inocula următorul volum. Pentru recoltarea populației microbiene și asigurarea producției de biomasă, volumul fiecărei etape poate fi parțial reînnoit în fiecare zi (cultură continuă) sau complet modificat (cultură discontinuă). La aceste etape corespund fotobioreactorii cu volum crescut și de natură diferită.
Culturile fotosintetice clonale necesită ca patru condiții să fie efectuate continuu sub asepsie.
Fotobioreactoarele au o natură foarte variată, de la iazuri deschise până la sisteme închise. Ele diferă în multe aspecte legate în special de condițiile lor de geometrie și cultură, modul de izolare, lumină, amestecare, control termic, transferuri de gaze și condițiile de funcționare. Diferite considerații fac posibilă clasificarea acestor sisteme, în special controlul mai mult sau mai puțin minuțios al condițiilor de cultură și al grosimii stratului de cultură. Putem distinge între grosimi decimetrice (bazine, coloane și rezervoare) și centimetrice (planuri înclinate, tuburi, plăci). Tabelul 1 reunește câteva spectacole menționate în literatură pentru o varietate de specii și fotobioreactori.
Tabelul 1: Concentrațiile și productivitatea suprafeței diferiților fotobioreactori clasificați în funcție de grosimea stratului de cultură (Ø = diametru).
| Sistem de producere | Lungimea căii optice (cm) | Specii de microalge | Concentrații maxime (gl -1 ) | Productivitatea suprafeței (gm -2 d -1 ) | Sursă |
|---|---|---|---|---|---|
| Plan înclinat | 1 | Chlorella sp. | 2 | 25 (p) | |
| Farfurie | 1.2 | Arthrospira platensis | 4 - 6 | 24 (d) | |
| Tubular | 2,5 (Ø) | Spirulina platensis | 4 | 27 (p) | |
| Tubular | 4,8 (Ø) | Chlorella vulgaris | 4 | 52 (p) | |
| Tubular | 6,0 (Ø) | Porphyridium cruentum | 1 | 25 (p) | |
| Tubular | 12,3 (Ø) | Spirulina maxima | 1 | 25 (p) | |
| Bazin | 15 | Arthrospira platensis , Dunaliella salina , Odontella aurita | 0,4 | 12-13 (p) | |
| Tubular | 50 (Ø) | Haematococcus pluvialis | 0,4 | 13 (p) | |
| Coloana cu bule | 50 (Ø) | T. Iso , Pavlova lutheri , Chaetoceros calcitrans , Tetraselmis suecica | 0,1 | 3 (d) |
(p) zona amprentei; (d) zona dezvoltată
Datorită expunerii lor la contaminare, culturile pure ale unei singure specii sunt greu posibile în fotobioreactorii care prezintă o interfață cu mediul (bazine, rezervoare, planuri înclinate), cu excepția unei mână de specii extremofile, printre care Arthrospira sp., Chlorella sp. , Dunaliella salina , Odontella aurita , Scenedesmus sp. și Nannochloropsis oculata . Celelalte specii necesită măsuri de precauție menite să favorizeze dezvoltarea lor prin consolidarea asepsiei și prin inoculare masivă. În ciuda acestui fapt, culturile sunt adesea de scurtă durată (lot) din cauza contaminării de la concurenți și prădători cu creștere mai rapidă.
Cel mai simplu și cel mai utilizat fotobioreactor în incubatoarele de acvacultură este un tub vertical transparent la baza căruia este injectat aer și primește lumină din lateral. Volumul acestor coloane cu bule variază de la 100 la 1000 de litri. Fundul este plat înclinat sau conic și sunt deschise sau închise printr-un capac non-rezistent la apă. Ele se disting în funcție de natura materialelor plastice care constituie pereții lor transparenți (polietilenă, polimetilmetacrilat, poliester armat sau policarbonat), grosimea acestor pereți (înveliș rigid sau film) și modul de reînnoire a volumului de cultură. sau lot).
Tuburile fluorescente sunt adesea plasate în jurul acestor volume în funcție de un raport putere / volum de ordinul a 1 watt per litru de cultură. Lumina naturală este folosită și atunci când latitudinea permite. Grosimile de cultură relativ mari nu permit atingerea unor concentrații foarte mari. Aceste sisteme sunt utilizate pe scară largă în incubatoarele de acvacultură marină pentru cultivarea microalgelor ca hrană pentru larvele de moluște și creveți și pradă vie a larvelor de pești cu gură mică. Pentru această aplicație, biomasa microalgală este distribuită sub formă de cultură brută. În ceea ce privește toate culturile de microorganisme, vom căuta să maximizăm concentrațiile de microalge la recoltare pentru a reduce activitatea de separare solid-lichid (cu excepția acvaculturii în care biomasa nu este recoltată). Căutarea celor mai mari concentrații tinde să favorizeze o reducere a grosimii culturii microalgelor. În practică, lungimile căii optice sunt rareori mai mici de cm.
Aceste organisme fotosintetice utilizate într-un fotobioreactor au particularitatea de a utiliza CO 2 prezent în aer pentru a produce O 2 și a se multiplica (principiul algoculturii ).
Interesul acestor culturi pe scară largă se bazează pe utilitatea de a obține o biomasă semnificativă de alge. Într-adevăr, algele (în special) au o capacitate reproductivă ridicată (crearea unei biomase ridicate ). Acestea produc cantități mari de lipide care pot fi utilizate în special pentru fabricarea biocombustibililor (biocombustibil, biogaz ).
În plus, capacitatea de depoluare a acestor alge poate fi utilizată și pentru curățarea apelor uzate și a atmosferei.
Aceste proprietăți particulare ale algelor sunt utilizate în mai multe aplicații pentru a produce energie (biocombustibil, căldură și electricitate).
Fotobioreactoarele tubulare sunt destinate unei dezvoltări mari datorită controlului strâns al condițiilor de cultură pe care le permit și a performanțelor care rezultă din acestea. Cele dispuse în bariere verticale ale fasciculelor tubulare care curg orizontal prezintă o eficiență fotosintetică ridicată legată de capacitatea lor de a folosi lumina difuză. Cultura este circulată acolo într-o buclă pentru a trece alternativ prin tubulatura transparentă unde captează lumina și într-un turn de degazare unde trebuie să își piardă imperios oxigenul pentru a evita inhibarea fotosintezei. Unele dintre aceste instalații totalizează 500 km de tuburi de sticlă, precum cea a companiei Roquette Frères din Klötze (Germania).
Pentru a preveni conținutul de oxigen dizolvat de a atinge valori critice, perioadele dintre două pasaje în turnul de degazare trebuie să scadă pe măsură ce mărimea fotobioreactorului crește. În unele instalații mari, aceste perioade pot scădea la minut. Pompele sunt apoi dimensionate pentru a circula cultura la 2 m / s în tub și în turnul de degazare care poate atinge 7 m înălțime. Pe lângă faptul că consumă multă energie (> 2000 W / m 3 ), aceste procese de cultivare supun microalgele la solicitări mecanice intense la care doar o mână de specii pot rezista. Acestea sunt în general microalge mici, fără anexe și având un perete celular rezistent, cum ar fi Chlorella vulgaris , Scenedesmus obliquus , Nannochloropsis oculata , Haematococcus pluvialis (chisturi). Datorită toleranței lor la stres mecanic, aceste specii extremofile sunt cultivate în Europa de Salata, Roquette Frères (Germania), CleanAlgae (Spania), Necton (Portugalia) și Algatech (Israel).
Un nou concept de fotobioreactor tubular diferă de cel anterior prin aceea că cultura co-circulă în tuburi în același timp cu gazul îmbogățit în CO 2 asigurând eliminarea excesului de oxigen. Acest lucru face ca eficiența degazării să fie independentă de dimensiunea fotobioreactorului și oferă tehnologiei un mare potențial pentru reducerea costurilor de capital și de exploatare prin creșterea dimensiunii fără a afecta performanța. O altă consecință practică a acestei alegeri constă în faptul că viteza de circulație este mult mai mică ( 0,3 m / s ) decât în fotobioreactorii turnului de degazare. Acest lucru reduce considerabil consumul de energie (<400 W / m 3 ), solicitările mecanice aplicate microalgelor circulante și face posibilă îndeplinirea eficientă a altor funcții esențiale, cum ar fi curățarea în linie a feței interne a reactorului. Fotobioreactoarele de 5.000 L conform acestui concept sunt utilizate în Baillargues (Franța) de către compania Microphyt de la sfârșitul anului 2009. S-au dovedit a fi potrivite pentru cultivarea industrială a mai multor specii deosebit de delicate de microalge. Posibilitatea de a produce în masă specii delicate deschide domeniul exploatării industriale a microorganismelor fotosintetice, dintre care biodiversitatea este printre cele mai importante.
Tehnologia fotobioreactoarelor a făcut obiectul mai multor proiecte de arhitectură și urbanism prin utilizarea Biofacadelor. Biofacadele sunt structuri cu geam termopan (tip foto-bioreactor) umplute cu apă în care este posibil să crească alge . Interesul acestor Biofacade este de a optimiza suprafața „pierdută” a clădirilor prin integrarea unui câmp vertical de cultură a micro-algelor.
Instalarea acestor structuri ar face posibilă satisfacerea nevoilor energetice ale clădirii. Într-adevăr, prin utilizarea proprietăților algelor este posibil să:
În timpul anotimpurilor, temperatura nu este constantă. Pentru a depăși acest fenomen natural, dispozitivul ar fi capabil, în timpul iernii, să capteze energia soarelui prin efect de seră și, vara, să răcească fațada cu apă și fluxuri de ventilație. Acest lucru este posibil prin prezența, în cadrul foto-bioreactorului, a unui schimbător de căldură. Utilizarea Biofacadelor ar face posibilă reducerea consumului de energie termică cu 50% pentru clădirea ca atare și cu 80% pentru alge, comparativ cu cultivarea convențională în iazuri.
Există un consorțiu numit Symbio2 alcătuit din companii (X-TU; Séché Environnement; OASIIS; RFR; Algosource Technologies; GEPEA) care își propun să creeze un „district verde” unde clădirile de generația a 3 -a își produc producția de microalge în ordine. pentru a-și satisface propriile nevoi energetice. Acest program a obținut un fond interministerial unic (FUI 15) în 2007martie 2015 în valoare de 1,7 milioane de euro.
Este important de remarcat faptul că de atunci Ianuarie 2014, nu există feedback cu privire la progresul diferitelor proiecte implementate. Cu toate acestea, există o clădire deja prevăzută cu aceste Biofacade în Hamburg: BIQ.
Algele pot fi folosite pentru a produce biodiesel și bioetanol . Faptul că biomasa algelor este de până la 30 de ori mai productivă decât alte biomase este deosebit de interesant.