BE1019198A3 - GAS PURIFICATION PROCESS COMPRISING CO2 AND CORRESPONDING DEVICE. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé d'épuration de gaz comprenant du CO2 au moyen d'organismes phototrophes et le dispositif correspondant. Selon l'invention, un tel procédé comprend les étapes suivantes: a) apport (801) d'eau provenant d'une source d'eau; b) captation et lavage (802) du gaz dans un absorbeur comprenant au moins une portion de l'eau de manière à obtenir une solution aqueuse de CO2; c) à partir d'au moins une portion de l'eau, préparation (803) d'une solution aqueuse comprenant des nutriments; d) injection (804) dans un photobioréacteur comprenant les organismes phototrophes d'au moins une portion de la solution aqueuse de CO2 et d'au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments; e) illumination (805) du contenu du photobioréacteur par un rayonnement lumineux; les étapes (b) et (c) pouvant être interverties ou simultanées.The invention relates to a method for cleaning gases comprising CO2 using phototrophic organisms and the corresponding device. According to the invention, such a method comprises the following steps: a) supply (801) of water from a water source; b) capturing and washing (802) the gas in an absorber comprising at least a portion of the water so as to obtain an aqueous solution of CO2; c) from at least a portion of the water, preparing (803) an aqueous solution comprising nutrients; d) injection (804) into a photobioreactor comprising the phototrophic organisms of at least a portion of the aqueous solution of CO2 and at least a portion of the aqueous solution comprising the nutrients; e) illumination (805) of the contents of the photobioreactor with light radiation; steps (b) and (c) can be inverted or simultaneous.
Description
Procédé d’épuration de gaz comprenant du CO2 et dispositif correspondant 1. Domaine de l’inventionProcess for purifying gas comprising CO2 and corresponding device 1. Field of the invention
La présente invention concerne le traitement de gaz comprenant du dioxyde de carbone, notamment les gaz de combustion renfermant une part significative de dioxyde de carbone.The present invention relates to the treatment of gases comprising carbon dioxide, especially combustion gases containing a significant portion of carbon dioxide.
2. Solutions de l’art antérieur2. Solutions of the prior art
Les règlementations qui visent à limiter les émissions de gaz notamment à effet de serre se multiplient. Les règlementations en question sont le plus souvent assorties de pénalités pour ceux qui ne se conforment pas aux exigences formulées. De façon significative les exigences sont de plus en plus contraignantes. Les industries notamment qui constituent une source importante d’émission de ces gaz sont conduites à trouver des solutions permettant d’atteindre les conditions satisfaisant à ces règlementations.Regulations aimed at limiting greenhouse gas emissions are increasing. The regulations in question are most often accompanied by penalties for those who do not comply with the requirements. Significantly, the requirements are more and more restrictive. Industries in particular, which constitute an important source of emission of these gases, are led to find solutions making it possible to reach the conditions satisfying these regulations.
Par nature certaines industries qui consomment de grandes quantités d’énergies fossiles, produisent également de grandes quantités de gaz de combustion contenant ces gaz dont l’émission est réglementée. Toutes les industries dans les productions desquelles la mise en œuvre de fusion calcination, traitement thermique de toute nature sont concernées. Parmi celles-ci les centrales thermiques, la sidérurgie, les productions de verre, le raffinage des produits pétroliers, les cimenteries, les productions de chaux...By nature some industries that consume large quantities of fossil fuels also produce large quantities of flue gas containing these gases whose emission is regulated. All industries in whose productions the implementation of fusion calcination, heat treatment of any kind are concerned. Among these are thermal power plants, iron and steel, glass production, refining of petroleum products, cement plants, lime production ...
A l’heure actuelle la recherche s’est portée principalement sur les techniques permettant de réduire les émissions de gaz, et ce de deux manières : en limitant la consommation des combustibles fossiles d’une part, et en capturant et/ou stockant les gaz émis d’autre part.At present, research has focused on techniques to reduce gas emissions in two ways: by limiting the consumption of fossil fuels on the one hand, and by capturing and / or storing gases. issued on the other hand.
La première voie (limiter la consommation) s’est portée vers l’utilisation de sources d’énergie n’engendrant pas de gaz de combustion. Ces sources sont cependant généralement plus coûteuses et ne font souvent que déplacer les émissions vers des industries situées en amont. C’est le cas de l’énergie électrique lorsque celle-ci est produite dans des centrales thermiques par exemple.The first way (limiting consumption) has been to use energy sources that do not generate flue gas. These sources, however, are generally more expensive and often only shift emissions to upstream industries. This is the case of electrical energy when it is produced in thermal power plants for example.
La seconde voie consiste, elle, à disposer de moyens permettant de limiter le rejet de gaz dans l’atmosphère. Des solutions consistent à capturer et stocker ces gaz dans la mesure où cette solution est industriellement possible. Ceci est pratiqué par exemple sur certains sites de production de gaz naturel ou de pétrole, ou même de mines. Les gaz sont par exemple réintroduits dans les poches souterraines dont proviennent les combustibles extraits.The second way is to have means to limit the release of gas into the atmosphere. Solutions consist in capturing and storing these gases insofar as this solution is industrially possible. This is practiced, for example, on certain sites producing natural gas or oil, or even mines. The gases are, for example, reintroduced into the underground pockets from which the extracted fuels originate.
La suppression des gaz comme le dioxyde de carbone peut aussi faire l’objet de traitements qui conduisent à fixer ce gaz sous une forme chimique sans incidence sur l’environnement, par exemple sous forme de carbonate de calcium. Les produits de cette transformation ne sont pas d’une valeur significative. Le coût global est donc relativement important.The removal of gases such as carbon dioxide can also be the subject of treatments that lead to fixing this gas in a chemical form without impacting the environment, for example in the form of calcium carbonate. The products of this transformation are not of significant value. The overall cost is therefore relatively large.
D’autres solutions consistent à utiliser des algues capables de photosynthèse dans des réacteurs appelés « photobioréacteurs >>. De tels organismes synthétisent leur matière organique en exploitant la lumière (du Soleil) et en fixant le dioxyde de carbone (ci-après désigné par CO2). Outre le CO2, leurs besoins sont l’eau et des éléments nutritifs présents par exemple dans le sol. Les produits obtenus sont de la matière organique également appelée « biomasse », et de l’oxygène (ci-après désigné par O2) également appelé « oxygène métabolique ». La réaction de photosynthèse peut être résumée par l’équation chimique suivante : n CO2 + η H2O (CTLOjn + η O2 (équation 1).Other solutions consist of using photosynthetic algae in reactors called "photobioreactors". Such organisms synthesize their organic matter by exploiting light (from the Sun) and by fixing carbon dioxide (hereinafter referred to as CO2). In addition to CO2, their needs are water and nutrients present for example in the soil. The products obtained are organic matter also called "biomass", and oxygen (hereinafter referred to as O2) also called "metabolic oxygen". The photosynthesis reaction can be summarized by the following chemical equation: n CO2 + η H2O (CTLOjn + η O2 (equation 1).
Le schéma traditionnel de culture d’algues est alors le suivant : de l’eau enrichie en nutriments est introduite dans le photobioréacteur. Par ailleurs, du CO2 est introduit dans le photobioréacteur et le photobioréacteur reçoit un rayonnement lumineux, qui apporte l’énergie nécessaire à la réaction. Dans ces systèmes, le CO2 provient soit de l’air atmosphérique, soit de gaz riches en CO2 (CO2 pur, gaz de combustion, air synthétique, ...).The traditional scheme of algae culture is then the following: water enriched with nutrients is introduced into the photobioreactor. In addition, CO2 is introduced into the photobioreactor and the photobioreactor receives a light radiation, which provides the necessary energy for the reaction. In these systems, CO2 comes from either atmospheric air or CO2-rich gases (pure CO2, flue gas, synthetic air, etc.).
Dans le cas des gaz riches en CO2, l’injection de ces gaz est réalisée sous une forme comprimée. En effet, cette compression est nécessaire pour vaincre la contre-pression de l’eau de culture, mais elle représente un coût énergétique de l’ordre de 10% ou plus de l’énergie produite par la biomasse algale.In the case of CO2-rich gases, the injection of these gases is carried out in a compressed form. Indeed, this compression is necessary to overcome the back pressure of the culture water, but it represents an energy cost of the order of 10% or more of the energy produced by the algal biomass.
Pour éviter cette compression énergivore, la demande de brevet n°US2008178739Al propose une solution selon laquelle les algues sont cultivées dans un plan horizontal surmonté d’une atmosphère synthétique enrichie en CO2. Cependant, cette solution présente deux inconvénients. Tout d’abord la température des gaz doit être limitée pour éviter de détruire la culture d’algue en chauffant l’eau au-delà d’une valeur critique, qui dépend de la souche utilisée. Par ailleurs, dans un tel dispositif, la surface de contact gaz/eau doit être suffisamment grande pour permettre une bonne diffusion du C02 dans l’eau. Cette dernière caractéristique constitue l’inconvénient majeur d’un tel dispositif.To avoid this energy-consuming compression, patent application No. US2008178739A1 proposes a solution according to which the algae are grown in a horizontal plane surmounted by a synthetic atmosphere enriched with CO2. However, this solution has two disadvantages. First, the temperature of the gases must be limited to avoid destroying the algae culture by heating the water beyond a critical value, which depends on the strain used. Moreover, in such a device, the gas / water contact surface must be sufficiently large to allow good diffusion of CO 2 in the water. This last characteristic constitutes the major disadvantage of such a device.
3. Objectifs de l’invention L’invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients de l’art antérieur.3. OBJECTIVES OF THE INVENTION The object of the invention is notably to overcome these disadvantages of the prior art.
Plus précisément, un objectif de l’invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est de fournir un procédé d’épuration de gaz ou fumées riches en CO2, par exemple un gaz de combustion, au moyen d’organismes phototrophes dans un photobioréacteur, qui soit moins coûteux en énergie que les procédés classiques. Par « phototrophe », on entendra par la suite tout organisme capable de photosynthèse.More specifically, an object of the invention, in at least one of its embodiments, is to provide a process for purifying CO2-rich gases or fumes, for example a flue gas, by means of phototrophic organisms in a photobioreactor, which is less expensive in energy than conventional methods. By "phototrophic", we mean thereafter any organism capable of photosynthesis.
Un autre objectif de l’invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est de mettre en œuvre un tel procédé permettant de réaliser cette injection de CO2 sans compression de gaz.Another object of the invention, in at least one of its embodiments, is to implement such a method to achieve this CO2 injection without gas compression.
Un autre objectif de l’invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est de mettre en œuvre un tel procédé selon lequel la quantité de C02 injectée dans le photobioréacteur peut être contrôlée indépendamment de la quantité de CO2 présente dans le gaz.Another objective of the invention, in at least one of its embodiments, is to implement such a method according to which the quantity of CO2 injected into the photobioreactor can be controlled independently of the amount of CO2 present in the gas.
Un autre objectif de l’invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est de mettre en œuvre une telle technique qui permette d’obtenir un meilleur rendement d’épuration et ceci pour un coût plus faible que les solutions classiques.Another object of the invention, in at least one of its embodiments, is to implement such a technique that allows to obtain a better purification performance and this for a lower cost than conventional solutions.
4. Exposé de l’invention L’invention concerne un procédé d’épuration de gaz comprenant du CO2 au moyen d’organismes phototrophes, comprenant les étapes suivantes : a) apport d’eau provenant d’une source d’eau ; b) captation et lavage du gaz dans un absorbeur comprenant au moins une portion de l’eau de manière à obtenir une solution aqueuse de CO2 ; c) à partir d’au moins une portion de l’eau, préparation d’une solution aqueuse comprenant des nutriments ; d) injection dans un photobioréacteur comprenant les organismes phototrophes d’au moins une portion de la solution aqueuse de CO2 et d’au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments ; e) illumination du contenu du photobioréacteur par un rayonnement lumineux.4. Disclosure of the Invention The invention relates to a method of purifying gas comprising CO2 by means of phototrophic organisms, comprising the following steps: a) supply of water from a source of water; b) capturing and washing the gas in an absorber comprising at least a portion of the water so as to obtain an aqueous solution of CO2; c) from at least a portion of the water, preparing an aqueous solution comprising nutrients; d) photobioreactor injection comprising the phototrophic organisms of at least a portion of the aqueous CO2 solution and at least a portion of the aqueous solution comprising the nutrients; e) illumination of the photobioreactor contents by light radiation.
Bien entendu, les étapes (b) et (c) peuvent être mises en œuvre dans un ordre indifférent, elles peuvent être mises en œuvre de manière simultanée ou être mises en œuvre en parallèle. Par ailleurs, la portion de l’eau mise en œuvre dans l’étape (b) et la portion de l’eau mise en œuvre dans l’étape (c) peuvent être distinctes, ou totalement ou partiellement confondues.Of course, steps (b) and (c) can be implemented in any order, they can be implemented simultaneously or be implemented in parallel. Moreover, the portion of the water used in step (b) and the portion of the water used in step (c) may be distinct, or totally or partially merged.
On entend par « photobioréacteur » tout type de récipient ou lagune, qu’il soit fermé ou ouvert (une lagune fermée peut être, par exemple, une lagune recouverte d’une serre), qui permet la culture d’organismes phototrophes.The term "photobioreactor" any type of container or lagoon, whether closed or open (a closed lagoon may be, for example, a lagoon covered with a greenhouse), which allows the cultivation of phototrophic organisms.
Le principe général de l’invention repose sur l’introduction dans le photobioréacteur d’une solution aqueuse de CO2 obtenue à partir du gaz comprenant le CO2, et non sur l’introduction directe du gaz dans le photobioréacteur.The general principle of the invention is based on the introduction into the photobioreactor of an aqueous solution of CO2 obtained from the gas comprising CO2, and not on the direct introduction of the gas into the photobioreactor.
Ainsi, grâce au procédé selon l’invention, il n’est pas nécessaire de réaliser une compression de gaz, ce qui permet de réaliser des économies substantielles d’énergie.Thus, thanks to the method according to the invention, it is not necessary to perform a gas compression, which allows substantial savings in energy.
Avantageusement, selon ce procédé, la captation du CO2 provenant du gaz comprenant du CO2, réalisée lors de l’étape (b), est découplée de l’injection de la solution obtenue dans le milieu de culture lors de l’étape (d). L’expression « milieu de culture » désigne la solution aqueuse globale contenue dans le photobioréacteur (comprenant au moins une portion de la solution aqueuse de nutriments et au moins une portion de la solution aqueuse de CO2) ainsi que les organismes phototrophes contenus dans le photobioréacteur.Advantageously, according to this method, the capture of CO2 from the gas comprising CO 2, carried out during step (b), is decoupled from the injection of the solution obtained into the culture medium during step (d). . The expression "culture medium" designates the overall aqueous solution contained in the photobioreactor (comprising at least a portion of the aqueous nutrient solution and at least a portion of the aqueous CO2 solution) as well as the phototrophic organisms contained in the photobioreactor. .
Ainsi, l’invention repose sur une approche tout à fait nouvelle et inventive de capture du CO2 et d’apport du CO2 en vue de sa fixation par des organismes phototrophes.Thus, the invention is based on a completely new and inventive approach to CO2 capture and CO2 input for fixation by phototrophic organisms.
Préférentiellement, le procédé peut comprendre une étape de régulation du taux de CO2 dans la solution aqueuse globale contenue dans le photobioréacteur : la concentration en CO2 dans le photobioréacteur peut être ajustée indépendamment de la production du gaz comprenant du C02. Ainsi, en suivant les besoins des organismes phototrophes, on obtient un rendement optimal de culture des organismes phototrophes, de sorte que la consommation de C02 est maximale, ce qui permet d’accroître le rendement du procédé d’épuration selon l’invention.Preferably, the process may comprise a step of regulating the level of CO 2 in the overall aqueous solution contained in the photobioreactor: the CO 2 concentration in the photobioreactor can be adjusted independently of the production of the gas comprising CO 2. Thus, by following the needs of the phototrophic organisms, an optimal crop yield of the phototrophic organisms is obtained, so that the consumption of CO 2 is maximal, which makes it possible to increase the efficiency of the purification process according to the invention.
Avantageusement l'étape de régulation précitée comprend une étape de stockage temporaire d’au moins une portion de la solution aqueuse de CO2. L injection du CO2 dans le milieu de culture pouvant être découplée de sa captation depuis le gaz comprenant du C02, le débit instantané de C02 injecté dans le photobioréacteur peut être contrôlé indépendamment du débit de CO2 présent dans le gaz comprenant le CO2. Ainsi, l’invention permet un traitement du gaz en continu, même si l’apport de CO2 au milieu de culture n’est pas continu.Advantageously, the above-mentioned regulation step comprises a step of temporarily storing at least a portion of the aqueous CO2 solution. Since the injection of CO2 into the culture medium can be decoupled from its uptake from the gas comprising CO 2, the instantaneous flow rate of CO 2 injected into the photobioreactor can be controlled independently of the CO2 flow rate present in the gas comprising CO 2. Thus, the invention allows continuous gas treatment, even if the supply of CO2 to the culture medium is not continuous.
Selon un mode de réalisation préférentiel de l’invention, le gaz comprenant du CO2 peut provenir de procédés industriels. Ainsi l’invention peut également concerner les fours à chaux ou des fours à verre, et en particulier les fours à oxy-combustion.According to a preferred embodiment of the invention, the gas comprising CO2 can come from industrial processes. Thus, the invention may also relate to lime kilns or glass furnaces, and in particular to oxy-combustion furnaces.
Selon une mise en œuvre avantageuse de l’invention, l’eau contenue dans . le photobioréacteur est recyclée afin de générer au moins une portion de ladite source d’eau. Ainsi, la quantité d’eau nécessaire est minimale.According to an advantageous implementation of the invention, the water contained in. the photobioreactor is recycled to generate at least a portion of said water source. Thus, the amount of water needed is minimal.
Selon une variante de l’invention, chacune des étapes (b) et (c) peut être découpée en séquence de sous-étapes, lesdites sous-étapes des étapes (b) et (c) étant intercalées.According to a variant of the invention, each of steps (b) and (c) can be divided into a sequence of substeps, said substeps of steps (b) and (c) being interposed.
Selon un mode de réalisation conforme à l’invention, l’étape (d) comprend les étapes suivantes : pré-mélange de ladite au moins une portion de la solution aqueuse de CO2 avec ladite au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments ; injection de la solution résultante du pré-mélange dans le photobioréacteur.According to an embodiment according to the invention, step (d) comprises the following steps: premixing said at least one portion of the aqueous CO2 solution with said at least one portion of the aqueous solution comprising the nutrients ; injection of the resulting solution of the premix into the photobioreactor.
Ainsi par exemple, la composition en nutriments du milieu de culture peut être ajustée indépendamment de sa teneur en CO2, la solution aqueuse de nutriments et la solution aqueuse de CO2 étant tout de même préparées simultanément. Cette préparation en parallèle suivie d’un pré-mélange permet une seule et unique injection de liquide dans le photobioréacteur, ce qui peut faire réaliser des économies de temps et permettre de limiter les perturbations dans le milieu de culture.For example, the nutrient composition of the culture medium can be adjusted independently of its CO2 content, the aqueous nutrient solution and the aqueous CO2 solution being all the same prepared. This preparation in parallel followed by a premixing allows a single injection of liquid into the photobioreactor, which can save time and reduce disturbances in the culture medium.
Selon une variante avantageuse de l’invention, on peut envisager une récupération par extraction d’au moins une partie de l’oxygène métabolique produit par les organismes phototrophes dans le photobioréacteur.According to an advantageous variant of the invention, recovery by extraction of at least a portion of the metabolic oxygen produced by the phototrophic organisms in the photobioreactor can be envisaged.
Selon l’invention, le terme « organismes phototrophes » peut désigner à titre d’exemples et de manière non limitative les algues, les micro-algues, les bactéries. L’invention concerne également les mélanges d’une ou plusieurs espèces d’organismes précités.According to the invention, the term "phototrophic organisms" may designate by way of examples and in a nonlimiting manner algae, micro-algae, bacteria. The invention also relates to mixtures of one or more species of the aforementioned organisms.
Selon l’invention, la solution aqueuse de CO2 comprend du CO2 qui peut se trouver sous trois formes : CO2 dissous, hydrogénocarbonate (ci-après désigné par HCO3"), carbonate (ci-après désigné par CO32'). Selon l’invention, le CO2 apporté dans le photobioréacteur lors de l’étape (d) est sous au moins une de ces trois formes.According to the invention, the aqueous CO2 solution comprises CO 2 which can be in three forms: dissolved CO 2, hydrogen carbonate (hereinafter referred to as HCO 3 -), carbonate (hereinafter designated CO32 '). , the CO2 brought into the photobioreactor during step (d) is in at least one of these three forms.
Conformément à un mode de réalisation particulier, l’invention concerne aussi un dispositif d’épuration de gaz comprenant du CO2 au moyen d’organismes phototrophes comprenant : a) des moyens d’apport d’eau provenant d’une source d’eau ; b) des moyens de captation et de lavage du gaz dans un absorbeur comprenant au moins une portion de l’eau de manière à obtenir une solution aqueuse de CO2 ; c) des moyens de préparation, à partir d’au moins une portion de l’eau, d’une solution aqueuse comprenant des nutriments ; d) des moyens d’injection dans un photobioréacteur comprenant les organismes phototrophes d’au moins une portion de la solution aqueuse de CO2 et d’au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments ; e) des moyens d’illumination du contenu du photobioréacteur par un rayonnement lumineux.According to a particular embodiment, the invention also relates to a gas purification device comprising CO2 by means of phototrophic organisms comprising: a) means for supplying water from a source of water; b) means for capturing and washing the gas in an absorber comprising at least a portion of the water so as to obtain an aqueous solution of CO2; c) means for preparing, from at least a portion of the water, an aqueous solution comprising nutrients; d) photobioreactor injection means comprising the phototrophic organisms of at least a portion of the aqueous CO2 solution and at least a portion of the aqueous solution comprising the nutrients; e) means for illuminating the content of the photobioreactor with light radiation.
Les avantages des dispositifs sont les mêmes que ceux des procédés : ils ne sont pas détaillés plus amplement.The advantages of the devices are the same as those of the processes: they are not detailed further.
Selon un mode de réalisation préférentiel de l’invention, le dispositif comprend des moyens de régulation du taux de CO2 dans la solution aqueuse globale contenue dans le photobioréacteur.According to a preferred embodiment of the invention, the device comprises means for regulating the CO2 level in the overall aqueous solution contained in the photobioreactor.
Avantageusement, les moyens de régulation comprennent des moyens de stockage temporaire d’au moins une portion de la solution aqueuse de CO2.Advantageously, the regulating means comprise means for temporarily storing at least a portion of the aqueous CO2 solution.
Selon une mise en oeuvre avantageuse du dispositif selon l’invention, le gaz comprenant du CO2 provient d’un four à oxy-combustion.According to an advantageous embodiment of the device according to the invention, the gas comprising CO2 comes from an oxy-combustion furnace.
Avantageusement, le dispositif comprend des moyens de recyclage de l’eau contenue dans le photobioréacteur afin de générer au moins une portion de ladite source d’eau.Advantageously, the device comprises means for recycling the water contained in the photobioreactor in order to generate at least a portion of said source of water.
Selon un mode de réalisation préférentiel, les moyens b) et c) sont activés suivant une séquence déterminée selon laquelle les activations des moyens b) et c) sont intercalés.According to a preferred embodiment, the means b) and c) are activated in a determined sequence according to which the activations of the means b) and c) are intercalated.
Selon une variante de l’invention, les moyens d) comprennent : des moyens de pré-mélange de ladite au moins une portion de la solution aqueuse de CO2 avec ladite au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments ; des moyens d’injection de la solution résultante du pré-mélange dans le photobioréacteur.According to a variant of the invention, the means d) comprise: means for premixing said at least one portion of the aqueous CO2 solution with said at least a portion of the aqueous solution comprising the nutrients; means for injecting the resulting solution of the premix into the photobioreactor.
Selon une mise en œuvre avantageuse de l’invention, le dispositif comprend des moyens d’extraction d’au moins une partie de l’oxygène métabolique produit par les organismes phototrophes dans le photobioréacteur.According to an advantageous embodiment of the invention, the device comprises means for extracting at least a portion of the metabolic oxygen produced by the phototrophic organisms in the photobioreactor.
Selon une variante de l’invention, les organismes phototrophes comprennent l’un au moins des organismes suivants : une algue ; une micro-algue ; une bactérie.According to a variant of the invention, the phototrophic organisms comprise at least one of the following organisms: an algae; a micro-algae; a bacteria.
Selon un mode de réalisation conforme à l’invention, les moyens d) comprennent des moyens d’apport dans le photobioréacteur du CO2 sous forme dissoute.According to one embodiment according to the invention, the means d) comprise means for supplying the CO2 photobioreactor in dissolved form.
5. Liste des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de modes de réalisation préférentiels, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des figures annexées, parmi lesquelles : la figure 1 présente un synoptique du procédé traditionnel de culture d’algues ; la figure 2 illustre un mode de réalisation du procédé selon l’invention dans lequel la préparation de la solution aqueuse de nutriments (étape (c)) est réalisée avant l’obtention de la solution aqueuse de CO2 (étape (b)) ; la figure 3 illustre un mode de réalisation du procédé selon l’invention dans lequel l’obtention de la solution aqueuse de CO2 (étape (b)) est réalisée avant la de préparation de la solution aqueuse de nutriments (étape (c)) ; la figure 4 illustre un mode de réalisation du procédé selon l’invention dans lequel l’injection du CO2 nécessaire à l’obtention d’une solution aqueuse de CO2 (étape (b)) et l’injection des nutriments nécessaires à la production d’une solution aqueuse de nutriments sont réalisées (étape (d)) simultanément ou de manière intercalée, dans la même portion d’eau ; la figure 5 illustre un mode de réalisation du procédé selon l’invention dans lequel l’obtention de la solution aqueuse de CO2 (étape (b)) et la préparation de la solution aqueuse de nutriments (étape (c)) sont réalisées en parallèle, et l’injection de la solution aqueuse de CO2 et l’injection de la solution aqueuse de nutriments dans le photobioréacteur lors de l’étape (d) peuvent être simultanées, successives ou intercalées ; la figure 6 illustre un mode de réalisation du procédé selon l’invention dans l’obtention de la solution aqueuse de CO2 (étape (b)) et la préparation de la solution aqueuse de nutriments (étape (c)) sont réalisées en parallèle, et les solutions obtenues sont pré-mélangées de manière à obtenir une solution unique comprenant du CO2 et des nutriments, qui est ensuite injectée dans le photobioréacteur ; la figure 7 donne les variations de concentration des différentes formes de CO2 présentes dans la solution aqueuse de CO2 en fonction du pH ; figure 8 présente un schéma synoptique du procédé revendiqué.5. List of Figures Other features and advantages of the invention will appear more clearly on reading the following description of preferred embodiments, given as simple illustrative and non-limiting examples, and the appended figures, among which: Figure 1 shows a synoptic of the traditional process of algae culture; FIG. 2 illustrates an embodiment of the process according to the invention in which the preparation of the aqueous solution of nutrients (step (c)) is carried out before obtaining the aqueous solution of CO2 (stage (b)); FIG. 3 illustrates an embodiment of the method according to the invention in which the obtaining of the aqueous solution of CO2 (step (b)) is carried out before the preparation of the aqueous solution of nutrients (step (c)); FIG. 4 illustrates an embodiment of the method according to the invention in which the injection of CO2 necessary to obtain an aqueous solution of CO2 (step (b)) and the injection of the nutrients necessary for the production of an aqueous solution of nutrients is carried out (step (d)) simultaneously or intercalated, in the same portion of water; FIG. 5 illustrates an embodiment of the process according to the invention in which the obtaining of the aqueous solution of CO2 (stage (b)) and the preparation of the aqueous solution of nutrients (stage (c)) are carried out in parallel and injecting the aqueous CO2 solution and injecting the aqueous nutrient solution into the photobioreactor during step (d) may be simultaneous, sequential or intercalated; FIG. 6 illustrates an embodiment of the process according to the invention for obtaining the aqueous solution of CO2 (step (b)) and the preparation of the aqueous nutrient solution (step (c)) are carried out in parallel, and the solutions obtained are premixed to obtain a single solution comprising CO2 and nutrients, which is then injected into the photobioreactor; FIG. 7 gives the variations in concentration of the different forms of CO2 present in the aqueous solution of CO2 as a function of the pH; Figure 8 shows a block diagram of the claimed process.
6. Description d’au moins un mode de réalisation de l’invention6. Description of at least one embodiment of the invention
On illustre avec la figure 1 le schéma traditionnel de culture d’algues dans des photobioréacteurs. De l’eau 103 enrichie en nutriments 104 est introduite dans le photobioréacteur 105. Par ailleurs, du CO2 101 est introduit dans le photobioréacteur 105. En outre, le photobioréacteur 105 reçoit un rayonnement lumineux 102, qui apporte l’énergie nécessaire à la réaction. Dans ce système, lé CO2101 est introduit directement dans le photobioréacteur 105.With Figure 1 is illustrated the traditional scheme of algae culture in photobioreactors. Water 103 enriched with nutrients 104 is introduced into the photobioreactor 105. Moreover, CO2 101 is introduced into the photobioreactor 105. In addition, the photobioreactor 105 receives a light radiation 102, which provides the necessary energy for the reaction. . In this system, the CO2101 is introduced directly into the photobioreactor 105.
Le principe général de l’invention repose sur le découplage de la captation du CO2 provenant du gaz, absorbé lors de l’étape (b), de son injection dans le milieu de culture lors de l’étape (d). Ce découplage est illustré sur les figures 2 à 6, où l’on voit que, contrairement à la figure 1, le CO2 201 ; 301 ; 401 ; 501 ; 601 n’est pas introduit directement dans le photobioréacteur 205 ; 305 ; 405 ; 505 ; 605.The general principle of the invention is based on the decoupling of the uptake of CO2 from the gas, absorbed during step (b), from its injection into the culture medium during step (d). This decoupling is illustrated in FIGS. 2 to 6, which shows that, contrary to FIG. 1, the CO2 201; 301; 401; 501; 601 is not introduced directly into the photobioreactor 205; 305; 405; 505; 605.
On présente, avec la figure 2, un procédé d’épuration selon un premier mode de réalisation : des nutriments 204 sont introduits dans une portion d’eau provenant d’une source d’eau 203 de manière à obtenir une solution aqueuse comprenant des nutriments. Puis cette solution aqueuse de nutriments est enrichie en CO2 201 provenant de gaz comprenant du CO2, et la solution aqueuse résultante est introduite dans le photobioréacteur 205 qui comprend des organismes phototrophes.FIG. 2 shows a purification method according to a first embodiment: nutrients 204 are introduced into a portion of water coming from a water source 203 so as to obtain an aqueous solution comprising nutrients . Then this aqueous nutrient solution is enriched in CO2 201 from gases comprising CO2, and the resulting aqueous solution is introduced into the photobioreactor 205 which comprises phototrophic organisms.
Dans la figure 3, le CO2 301 est introduit dans une portion d’eau 303 de manière à obtenir une solution aqueuse de CO2. Puis cette solution aqueuse de CO2 est enrichie en nutriments 304, et la solution aqueuse résultante est introduite dans le photobioréacteur 305 qui comprend des organismes phototrophes.In FIG. 3, the CO2 301 is introduced into a portion of water 303 so as to obtain an aqueous solution of CO2. Then this aqueous solution of CO2 is enriched in nutrients 304, and the resulting aqueous solution is introduced into the photobioreactor 305 which comprises phototrophic organisms.
Le passage de la figure 2 à la figure 3 s’obtient par interversion des étapes d’obtention de la solution aqueuse de CO2 (étape (b)) et de l’étape de préparation de la solution aqueuse de nutriments (étape (c)).The passage from FIG. 2 to FIG. 3 is obtained by reversing the steps for obtaining the aqueous CO2 solution (step (b)) and the step of preparing the aqueous nutrient solution (step (c)). ).
La figure 4 est le cas limite entre les figures 2 et 3. Selon une variante du mode de réalisation illustré à la figure 4, les nutriments 404 et le CO2 401 peuvent être introduits simultanément dans la même portion d’eau 403, puis la solution aqueuse résultante est introduite dans le photobioréacteur 405. Les étapes (b) et (c) sont alors simultanées et « fusionnées ». Selon une autre variante du mode de réalisation représenté à la figure 4, le débit d’injection 409 des nutriments dans la portion d’eau et le débit d’injection 408 du CO2 dans la même portion d’eau peuvent être saccadés, de sorte qu’en fait chacune des étapes d’obtention de la solution aqueuse de CO2 et de préparation de la solution aqueuse de nutriments sont découpées en sous-étapes, lesdites sous-étapes étant ainsi « intercalées ».FIG. 4 is the limiting case between FIGS. 2 and 3. According to a variant of the embodiment illustrated in FIG. 4, the nutrients 404 and the CO2 401 can be introduced simultaneously into the same portion of water 403, and then the solution The resulting aqueous solution is introduced into photobioreactor 405. Steps (b) and (c) are then simultaneous and "fused". According to another variant of the embodiment shown in FIG. 4, the injection rate 409 of the nutrients in the portion of water and the injection rate 408 of the CO2 in the same portion of water can be jerky, so that that in fact each of the steps of obtaining the aqueous solution of CO2 and preparing the aqueous solution of nutrients are cut into substeps, said substeps thus being "interleaved".
Selon un mode de réalisation représenté à la figure 5, l’étape d’obtention de la solution aqueuse de CO2 (étape (b)) et l’étape de préparation de la solution aqueuse de nutriments (étape (c)) peuvent être réalisées en parallèle. On a représenté un cas particulier où il existe une réserve d’eau 503 (par exemple un réservoir) entre la source d’eau 500 et le photobioréacteur 505. Dans le mode de réalisation représenté, parallèlement à la captation du gaz et à la préparation de la solution aqueuse de CO2 501 avec une portion d’eau de la réserve d’eau 503, on prépare une solution aqueuse comprenant des nutriments 504 avec une portion d’eau de la réserve d’eau 503 différente de la première portion d’eau. Chacune des solutions est injectée séparément dans le photobioréacteur 505 comprenant les organismes phototrophes. Là encore, les injections peuvent être successives (injection 508 de la solution aqueuse de CO2 avant injection 509 de la solution aqueuse comprenant des nutriments, ou alors injection 509 de la solution aqueuse comprenant des nutriments avant injection 508 de la solution aqueuse de CO2), ou bien les injections peuvent être simultanées (508 et 509 sont réalisées en même temps), ou bien les injections peuvent être intercalées (les flèches 508 et 509 représentant des débits saccadés).According to one embodiment shown in FIG. 5, the step of obtaining the aqueous solution of CO2 (step (b)) and the step of preparing the aqueous solution of nutrients (step (c)) can be carried out in parallel. There is shown a particular case where there is a water reserve 503 (for example a tank) between the water source 500 and the photobioreactor 505. In the embodiment shown, parallel to the capture of the gas and the preparation of the aqueous solution of CO2 501 with a portion of water of the water reserve 503, an aqueous solution comprising nutrients 504 is prepared with a portion of water of the water reserve 503 different from the first portion of water. water. Each of the solutions is separately injected into photobioreactor 505 comprising the phototrophic organisms. Here again, the injections may be successive (injection 508 of the aqueous solution of CO2 before injection 509 of the aqueous solution comprising nutrients, or injection 509 of the aqueous solution comprising nutrients before injection 508 of the aqueous solution of CO2), or the injections may be simultaneous (508 and 509 are performed at the same time), or the injections may be interspersed (the arrows 508 and 509 representing jerky flow rates).
Le mode de réalisation illustré à la figure 6 peut être considéré comme un cas particulier du mode de réalisation représenté à la figure 5, dans lequel la solution aqueuse de CO2 601 et la solution aqueuse comprenant des nutriments 604 sont préparées en parallèle, puis pré-mélangées et enfin injectées dans le photobioréacteur 605 comprenant les organismes phototrophes.The embodiment illustrated in FIG. 6 can be considered as a special case of the embodiment shown in FIG. 5, in which the aqueous solution of CO2 601 and the aqueous solution comprising nutrients 604 are prepared in parallel, then prepared. mixed and finally injected into the photobioreactor 605 comprising the phototrophic organisms.
Dans tous les cas, le contenu du photobioréacteur est illuminé par un rayonnement lumineux 202 ; 302 ; 402 ; 502 ; 602 qui fournit l’énergie nécessaire à la réaction de photosynthèse. Les produits obtenus sont de la matière organique appelée « biomasse » 206 ; 306 ; 406 ; 506 ; 606 et de l’oxygène O2 207 ; 307 ; 407 ; 507 ; 607. Biomasse et oxygène peuvent être extraits du milieu de culture et récupérés.In all cases, the content of the photobioreactor is illuminated by a light radiation 202; 302; 402; 502; 602 which provides the energy necessary for the photosynthesis reaction. The products obtained are organic matter called "biomass" 206; 306; 406; 506; 606 and oxygen O2 207; 307; 407; 507; 607. Biomass and oxygen can be extracted from the culture medium and recovered.
Après culture, les organismes phototrophes peuvent être récoltés en continu ou par prélèvements ponctuels, par exemple grâce à des procédés traditionnels tels que la floculation suivie d’une filtration et d’un séchage. Le prélèvement d’au moins une portion du milieu de culture et son traitement pour récupérer la biomasse peut être appelé « extraction de biomasse ». Ces prélèvements peuvent entraîner des pertes d’eau qui seront préférentiellement compensées par l’ajout d’eau d’appoint.After cultivation, the phototrophic organisms can be harvested continuously or by spot samples, for example by traditional methods such as flocculation followed by filtration and drying. The removal of at least a portion of the culture medium and its treatment to recover the biomass may be called "biomass extraction". These samples can lead to water losses which will be preferentially offset by the addition of make-up water.
L’illumination par un rayonnement lumineux 202 ; 302 ; 402 ; 502 ; 602 peut être assurée par une source de lumière naturelle, c’est-à-dire par le Soleil.Illumination by light radiation 202; 302; 402; 502; 602 can be provided by a source of natural light, that is to say by the Sun.
L’éclairage peut également être artificiel, par exemple avec des lampes comprenant une ampoule halogène ou une ampoule à base de diodes électroluminescentes (« LEDs »).The lighting can also be artificial, for example with lamps comprising a halogen bulb or a bulb based on light emitting diodes ("LEDs").
Préférentiellement, la source d’eau est contrôlée afin de s’assurer que la quantité d’éléments nuisibles (notamment toxiques) aux organismes phototrophes est inférieure à un seuil déterminé. Pour l’algue Chlorella vulgaris par exemple on peut citer des valeurs tirées de « Tolérance of Chlorella vulgaris for metallic and non-metallic ions » par L. E. Den Dooren De Jong, Antonie van Leeuwenhoek, vol. 31, pp. 301-313 (1965), et reprises dans Ie tableau suivant :Preferably, the water source is controlled to ensure that the amount of harmful elements (especially toxic) phototrophic organisms is below a predetermined threshold. For the alga Chlorella vulgaris, for example, values derived from "Tolerance of Chlorella vulgaris for metallic and non-metallic ions" by E. Den Dooren De Jong, Antonie van Leeuwenhoek, vol. 31, pp. 301-313 (1965), and repeated in the following table:
La source d’eau peut être de l’eau de ville, de l’eau de rivière ou de canal, de l’eau de pluie, de l’eau déminéralisée, ou de l’eau de ville ayant subi un traitement par bullage d’air destiné à éliminer un ou plusieurs éléments toxique(s) pour certaines souches d’organismes phototrophes, comme par exemple le chlore.The water source may be city water, river or canal water, rainwater, demineralized water, or bubbled city water. of air for removing one or more toxic elements for certain strains of phototrophic organisms, such as for example chlorine.
Il est possible de mettre en place un système de recyclage d’eau comme illustré à la figure 5. Lors de l’extraction d’au moins une partie de la biomasse 506 par prélèvement d’une portion du milieu de culture compris dans le photobioréacteur 505, une portion d’eau 510 peut être récupérée. Après nettoyage, cette portion d’eau peut être renvoyée vers la réserve d’eau 503. En effet, on peut mettre en œuvre pour ce faire une pompe 511 connectée entre le photobioréacteur 505 et la réserve d’eau 503. Ce système de recyclage permet de réaliser des économies d’eau. Seules les pertes d’eau, dues par exemple à l’évaporation, ou à l’extraction de biomasse, peuvent alors être compensées par apport d’une portion d’eau appelée « eau d’appoint » 512.It is possible to set up a water recycling system as illustrated in FIG. 5. During the extraction of at least a portion of the biomass 506 by taking a portion of the culture medium included in the photobioreactor 505, a portion of water 510 can be recovered. After cleaning, this portion of water can be returned to the water reserve 503. Indeed, it can implement to do this a pump 511 connected between the photobioreactor 505 and the water reserve 503. This recycling system saves water. Only the losses of water, due for example to evaporation, or to the extraction of biomass, can then be compensated by providing a portion of water called "make-up water" 512.
Selon l’invention, le CO2 nécessaire à la photosynthèse est apporté au milieu de culture sous forme d’une solution aqueuse de CO2.According to the invention, the CO2 necessary for photosynthesis is supplied to the culture medium in the form of an aqueous solution of CO2.
La dissolution du C02 gazeux 201 ; 301 ; 401 ; 501 ; 601 dans l’eau 203 ; 303 ; 403 ; 503 ; 603 correspond à Véquation 2 :Dissolving the gaseous CO 2 O 201; 301; 401; 501; 601 in water 203; 303; 403; 503; 603 corresponds to Equation 2:
(équation 2)(equation 2)
Elle obéit à la loi de Henry reprise à Véquation 3 :She obeys the law of Henry resumed in Equation 3:
(1équation 3) où [CO2 (dissous)] désigne la concentration en CO2 dissous dans l’eau, HCo2 la constante de Henry pour le CO2, et pco2 (gaz) la pression partielle en CO2 de la phase gazeuse.(1 equation 3) where [CO2 (dissolved)] refers to the concentration of dissolved CO2 in water, HCo2 the Henry constant for CO2, and pco2 (gas) the CO2 partial pressure of the gas phase.
Puis le C02 dissous réagit avec l’eau H20 pour former HCO3' etCCb2'. Et la dissolution répond aux équilibres donnés par les équations (4) et (5) suivantes : (équation 4)Then the dissolved CO2 reacts with H2O water to form HCO3 'and CCb2'. And the dissolution responds to the equilibrium given by the following equations (4) and (5): (equation 4)
(équation 5)(equation 5)
La solution aqueuse de CO2 comprend du CO2 qui peut se trouver en fait sous trois formes : CO2 dissous (703), hydrogénocarbonate HCO3' (704), et carbonate CO32' (705). La forme majoritaire est fonction du pH (comme illustré à la figure 7). Sur cette figure, on représente la concentration des différentes formes de CO2 qui peuvent exister dans la solution aqueuse de CO2 en fonction du pH : l’axe des abscisses 701 donne les valeurs de pH, et l’axe des ordonnées 702 donne la concentration (en pmol/kg) de chaque forme de CO2 présente dans la solution.The aqueous CO2 solution comprises CO2 that can actually be found in three forms: dissolved CO2 (703), hydrogen carbonate HCO3 '(704), and carbonate CO32' (705). The majority form is a function of pH (as shown in Figure 7). This figure shows the concentration of the different forms of CO2 that may exist in the aqueous CO2 solution as a function of the pH: the abscissa axis 701 gives the pH values, and the ordinate axis 702 gives the concentration ( in pmol / kg) of each form of CO2 present in the solution.
Le CO2 nécessaire 201 ; 301 ; 401 ; 501 ; 601 peut provenir de gaz industriels, comme par exemple des gaz de combustion issus de fours à verre ou de fours à chaux, qui dégagent beaucoup de CO2.The necessary CO2 201; 301; 401; 501; 601 can come from industrial gases, such as flue gases from glass furnaces or lime kilns, which emit a lot of CO2.
Les fours à oxy-combustion, qui utilisent comme comburant de l’oxygène pur (plutôt que simplement de l’air) produisent des gaz particulièrement riches en CO2 et appauvris en produits secondaires, ce qui permet un traitement plus aisé. En effet, avoir un CO2 concentré peut accroître le rendement du procédé selon l’invention, et ce au moins pour deux raisons : D’une part, si la pression partielle en CO2 est élevée, alors la concentration en CO2 dissous est élevée d’après Y équation 3 et le rendement de la dissolution de CO2 gazeux dans 1 eau ([CO2 dissous]/ [CO? gazeux fourni]) va être grand.Oxy-combustion furnaces, which use pure oxygen as the oxidant (rather than just air), produce gases that are particularly rich in CO2 and depleted of secondary products, which makes treatment easier. Indeed, having a concentrated CO 2 can increase the yield of the process according to the invention, and this at least for two reasons: On the one hand, if the CO 2 partial pressure is high, then the concentration of dissolved CO 2 is high. after equation 3 and the yield of the dissolution of CO2 gas in 1 water ([CO2 dissolved] / [CO 2 gas supplied]) will be large.
D’autre part, avec une pression partielle en CO2 élevée, pour un débit unitaire de CO2 (de lkg/h par exemple), le débit total de gaz sera moins important. Donc avec des gaz riches en CO2, le volume de gaz à traiter sera moindre que pour des gaz pauvres en CO2. Ceci peut permettre par exemple de réduire le volume des appareillages, notamment celui du dispositif de dissolution du CO2 dans l’eau.On the other hand, with a high partial pressure of CO2, for a unit rate of CO2 (lkg / h for example), the total gas flow will be less important. So with CO2-rich gases, the volume of gas to be treated will be lower than for CO2-poor gases. This may allow for example to reduce the volume of equipment, including that of the device for dissolving CO2 in water.
Les gaz comprenant le CO2 peuvent être nettoyés avant l’étape de dissolution de CO2 gazeux 201 ; 301 ; 401 ; 501 ; 601 dans l’eau 203 ; 303 ; 403 ; 503 ; 603. L’absorbeur qui permet de capter ces gaz peut se composer de deux parties qui peuvent être distinctes ou pas : un dispositif de nettoyage et un dispositif de dissolution de CO2 gazeux dans l’eau. On peut utiliser par exemple les méthodes de dépollution traditionnellement employées dans l’industrie du verre ou de la chaux : les gaz comprenant le CO2 peuvent passer sur un filtre à manche, sur un électro-filtre qui permet d’éliminer des particules, par exemple des métaux lourds (comme Hg, Cr, Ni, Zn, Pb), puis sur un dispositif DeSOx (pour éliminer les oxydes de soufre) et sur un catalyseur DeNOx (pour éliminer les oxydes d’azote).The gases comprising the CO 2 can be cleaned before the step of dissolving CO2 gas 201; 301; 401; 501; 601 in water 203; 303; 403; 503; 603. The absorber used to capture these gases may consist of two parts that may or may not be separate: a cleaning device and a device for dissolving gaseous CO2 in water. For example, the pollution control methods traditionally employed in the glass or lime industry may be used: the gases comprising CO 2 may pass through a bag filter, on an electro-filter which makes it possible to remove particles, for example heavy metals (such as Hg, Cr, Ni, Zn, Pb), then on a DeSOx device (to remove the sulfur oxides) and on a DeNOx catalyst (to remove the nitrogen oxides).
Enfin, dans l’invention, le gaz comprenant le CO2 n’est plus en contact direct avec le milieu de culture. Or la production d’oxygène par photosynthèse a lieu uniquement dans ce milieu. Si l’on considère que l’on injecte dans le milieu de culture une solution aqueuse comprenant pour seul gaz dissous du CO2 pur et qu’il est totalement absorbé par les organismes phototrophes (selon Véquation 1) ou que le CO2 non consommé par les organismes phototrophes reste en solution, alors le seul gaz sortant du photobioréacteur sera de ΓΟ2 métabolique. Si le photobioréacteur est fermé, on peut envisager de récupérer cet O2 métabolique 207 ; 307 ; 407 ; 507 ; 607.Finally, in the invention, the gas comprising CO2 is no longer in direct contact with the culture medium. However, the oxygen production by photosynthesis takes place only in this medium. If it is considered that an aqueous solution is injected into the culture medium comprising as sole gas dissolved pure CO2 and that it is totally absorbed by the phototrophic organisms (according to Equation 1) or that the CO2 not consumed by the phototrophic organisms remains in solution, so the only gas leaving the photobioreactor will be metabolic ΓΟ2. If the photobioreactor is closed, we can consider recovering this metabolic O2 207; 307; 407; 507; 607.
La température du milieu de culture dépend de l’espèce d’organisme phototrophe utilisée. Pour les algues Chlorella vulgaris par exemple, elle est de l’ordre de 28°C. Il est alors nécessaire de refroidir le gaz comprenant le CO2. A titre indicatif, la température des gaz à la sortie d’un four à verre est de l’ordre de 220°C et la température des gaz à la sortie d’un four à chaux est de l’ordre de 150°C.The temperature of the culture medium depends on the species of phototrophic organism used. For Chlorella vulgaris algae for example, it is around 28 ° C. It is then necessary to cool the gas including CO2. As an indication, the temperature of the gases at the outlet of a glass furnace is of the order of 220 ° C and the temperature of the gases at the outlet of a lime kiln is of the order of 150 ° C.
Ceci peut être fait par les techniques traditionnelles, grâce par exemple à un échangeur de chaleur, la source froide pouvant être la source d’eau 500. L’échangeur de chaleur peut aussi être le dispositif 513 de dissolution de CO2 gazeux dans l’eau lui-même.This can be done by traditional techniques, for example through a heat exchanger, the cold source can be the source of water 500. The heat exchanger can also be the device 513 for dissolving gaseous CO2 in water himself.
Inversement, la chaleur des gaz comprenant le CO2 peut servir à réchauffer le milieu de culture s’il est trop froid (par exemple en hiver).Conversely, the heat of gases including CO2 can be used to heat the culture medium if it is too cold (eg in winter).
La dissolution de CO2 gazeux 502 dans l’eau expliquée ci-dessus peut être réalisée grâce à différents dispositifs 513 de dissolution de CO2 gazeux dans l’eau parmi lesquels on peut citer une colonne à bulles, une cuve à agitation (magnétique par exemple), une colonne à plateaux (perforés ou à calotte), une colonne à garnissage (à co- ou contre-courant), un Venturi, une colonne à pulvérisation, une colonne à film.The dissolution of gaseous CO2 502 in the water explained above can be achieved by means of various devices 513 for dissolving gaseous CO2 in water, among which mention may be made of a bubble column, a stirred tank (magnetic for example) , a plate column (perforated or cap), a packed column (co- or countercurrent), a Venturi, a spraying column, a film column.
L’utilisation d’une colonne à film de type « Amazone » (commercialisée par la société Toussaint-Nyssenne) permet, outre la dissolution du CO2 dans l’eau, l’élimination de poussières, et les échanges de chaleur.The use of a "Amazon" type film column (marketed by the company Toussaint-Nyssenne) makes it possible, in addition to the dissolution of CO2 in the water, the elimination of dust, and the exchange of heat.
Après cette étape, on obtient donc une solution aqueuse de CO2. Avantageusement selon l’invention, les organismes phototrophes ne sont jamais en contact direct avec le CO2 gazeux. Ainsi, les organismes phototrophes ne sont pas soumis aux chocs des bulles de gaz et ne sont pas stressés.After this step, an aqueous solution of CO2 is thus obtained. Advantageously according to the invention, the phototrophic organisms are never in direct contact with the gaseous CO2. Thus phototrophic organisms are not subject to shocks from gas bubbles and are not stressed.
Le découplage de la captation du CO2 provenant du gaz, réalisée lors de l’étape (b), de son injection dans le milieu de culture lors de l’étape (d) permet aussi de réaliser un stockage de la réserve de CO2 présente dans l’eau sous forme dissoute, par exemple dans un réservoir-tampon 514 (représenté sur la figure 5) inséré entre le dispositif 513 de dissolution de CO2 gazeux dans l’eau et le photobioréacteur 505. Ainsi, l’apport en CO2 au milieu de culture peut être régulé en fonction des besoins. On peut envisager par exemple insérer, entre le réservoir-tampon 514 et le photobioréacteur 505, une pompe 515 dont le débit est réglable, ce qui permet d’ajuster la quantité de CO2 dans le milieu de culture. On peut également diluer le milieu de culture par apport d’eau d’appoint 512. Les besoins en CO2 peuvent être estimés par une mesure des concentrations en HCO3· et CO3 ’, par exemple avec un titrateur automatique de type « Applikon » (commercialisé par Metrohm).The decoupling of the capture of CO2 from the gas, carried out during step (b), of its injection into the culture medium during step (d) also makes it possible to carry out a storage of the CO2 reserve present in water in dissolved form, for example in a buffer tank 514 (shown in FIG. 5) inserted between the device 513 for dissolving gaseous CO2 in water and the photobioreactor 505. Thus, the contribution of CO2 to the medium of culture can be regulated according to the needs. For example, it is conceivable to insert, between the buffer tank 514 and the photobioreactor 505, a pump 515 whose flow rate is adjustable, which makes it possible to adjust the amount of CO2 in the culture medium. It is also possible to dilute the culture medium by adding make-up water 512. The CO2 requirements can be estimated by measuring the concentrations of HCO3 · and CO3 ', for example with an "Applikon" type automatic titrator (marketed by Metrohm).
Un autre avantage du stockage du CO2 sous forme d’une solution aqueuse réside dans son acheminement vers les photobioréacteurs 205 ; 305 ; 405 ; 505 ; 605. Il est en effet plus facile de transporter des liquides que des gaz (transport par simple gravité par exemple), et ce d’autant plus que la distance à parcourir est grande (notamment dans le cas d’un champ d’une centaine de photobioréacteurs de plusieurs hectares). Ceci se traduit par des économies de coût substantielles.Another advantage of storing CO2 in the form of an aqueous solution lies in its routing to photobioreactors 205; 305; 405; 505; 605. It is indeed easier to transport liquids than gases (transport by simple gravity for example), especially since the distance to be traveled is large (especially in the case of a field of about photobioreactors of several hectares). This translates into substantial cost savings.
En outre, une filtration après la dissolution de CO2 gazeux dans l’eau découplée de l’injection dans le milieu de culture, par exemple avec un filtre 516 (placé entre le dispositif 513 de dissolution de CO2 gazeux dans l’eau et le photobioréacteur 505, ou, le cas échéant entre le réservoir-tampon 514 et le photobioréacteur 505), permet de récupérer des sels insolubles (comme CaCCb, MgCCb, ...) et ainsi éviter leur contact avec les organismes phototrophes. Dans un procédé traditionnel tel que celui représenté à la figure 1, ces sels auraient précipité dans le milieu de culture et se seraient mélangés aux organismes phototrophes.In addition, a filtration after the dissolution of CO2 gas in water decoupled from the injection into the culture medium, for example with a filter 516 (placed between the device 513 for dissolving gaseous CO2 in water and the photobioreactor 505, or, where appropriate, between the buffer tank 514 and the photobioreactor 505), makes it possible to recover insoluble salts (such as CaCCb, MgCCb, etc.) and thus prevent their contact with the phototrophic organisms. In a traditional process such as that shown in Figure 1, these salts would have precipitated in the culture medium and mixed with the phototrophic organisms.
De la même manière qu’on peut réguler l’apport de CO2 501 dans le milieu de culture, l’apport de nutriments 504 peut être contrôlé. Les nitrates étant traditionnellement utilisés comme indicateur du niveau moyen en nutriments, ce contrôle peut se faire au moyen d'une mesure de la quantité de nitrates dans la solution aqueuse globale. L’apport supplémentaire de nutriments peut alors être réalisé à l’aide d’une pompe doseuse 517 placée entre la réserve de nutriments 504 et le photobioréacteur 505.In the same way that one can regulate the supply of CO2 501 in the culture medium, the supply of nutrients 504 can be controlled. Nitrates are traditionally used as an indicator of the average level of nutrients, this control can be done by means of a measurement of the amount of nitrates in the overall aqueous solution. The additional supply of nutrients can then be achieved using a metering pump 517 placed between the nutrient store 504 and the photobioreactor 505.
On décrit maintenant un exemple particulier de dispositif d’épuration de gaz comprenant du CO2 au moyen d’organismes phototrophes selon l’invention.A particular example of a gas purification device comprising CO2 using phototrophic organisms according to the invention is now described.
Des essais de culture ont été réalisés avec des algues de l’ordre des Chlorococcales, famille : Chlorellaceae, genre : Chlorella, espèce : vulgaris (ci-après désignées par « Chlorella vulgaris ») dans un photobioréacteur ouvert en verre de dimensions 85*5*280 cm (soit un volume de 119L) réalisé à l’aide de feuilles de verre de 12mm d’épaisseur collées, l’étanchéité étant assurée par un joint torique. Le photobioréacteur se trouve dans une serre et est rempli avec 112LCulture tests were carried out with algae of the order Chlorococcales, family: Chlorellaceae, genus: Chlorella, species: vulgaris (hereinafter referred to as "Chlorella vulgaris") in an open glass photobioreactor of dimensions 85 * 5 * 280 cm (ie a volume of 119L) made with 12mm thick glass sheets glued, the seal being provided by an O-ring. The photobioreactor is in a greenhouse and is filled with 112L
d’eau déminéralisée enrichie en nutriments de manière à obtenir un milieu de culture M8 dont la composition en macro- et micronutriments est indiquée dans les tableaux suivants :demineralized water enriched with nutrients so as to obtain an M8 culture medium whose composition in macro- and micronutrients is indicated in the following tables:
La température du réacteur est maintenue idéalement autour de 27.5°C (+/-2.5°C), qui est la température optimale pour les Chlorella vulgaris, au moyen d’une serre isolée thermiquement et dotée d’une climatisation et d’un échangeur de chaleur interne au photobioréacteur.The temperature of the reactor is ideally maintained around 27.5 ° C (+/- 2.5 ° C), which is the optimum temperature for Chlorella vulgaris, by means of a thermally insulated greenhouse with air conditioning and heat exchanger. internal heat to the photobioreactor.
L’illumination est assurée par de la lumière naturelle (soit en Belgique : 125W/m2/an en moyenne en comptant les heures de nuit).Illumination is provided by natural light (ie in Belgium: 125W / m2 / year on average by counting the hours of night).
Dans cet exemple, l’apport de CO2 au milieu de culture est réalisé sous la forme d’une solution aqueuse contenant des ions hydrogénocarbonates HCO3', en l’occurrence par exemple avec une solution aqueuse de NaHCCb. L’emploi d’une telle solution permet de simuler la dissolution du CO2 gazeux dans l’eau et aboutit à une solution aqueuse de CO2 qui peut être assimilée à celle que l’on obtiendrait par le procédé selon l’invention.In this example, the supply of CO2 to the culture medium is carried out in the form of an aqueous solution containing hydrogen carbonate ions HCO3 ', in this case for example with an aqueous solution of NaHCCb. The use of such a solution makes it possible to simulate the dissolution of CO2 gas in water and results in an aqueous solution of CO2 which can be assimilated to that which would be obtained by the process according to the invention.
L’étape de dissolution de CO2 gazeux dans de l’eau déminéralisée a aussi été réalisée avec un dispositif 513 bullant-pilote en verre, de 10 cm de diamètre et de 54cm de hauteur ; son volume de travail est 4 L. Les essais ont été menés avec un volume de travail de 3 L. Un flux de gaz de 600mL/min contenant 33% de CO2 dans l’air (ce qui peut être assimilé à la composition des gaz issus d’un four verrier à oxy-combustion) est introduit par 16 trous de 1.5 mm de diamètre. La vitesse du gaz à travers un trou est d’environ 0.35 m/s. Un mélangeur à 4 pales verticales tourne à une vitesse de 12000 trs/min pour détruire les bulles coalescentes et réduire leur diamètre.The step of dissolving gaseous CO 2 in deionized water was also carried out with a 513 bubbler-pilot device made of glass, 10 cm in diameter and 54 cm in height; its working volume is 4 L. The tests were carried out with a working volume of 3 L. A gas flow of 600mL / min containing 33% of CO2 in the air (which can be assimilated to the composition of the gases from an oxy-combustion glass furnace) is introduced by 16 holes 1.5 mm in diameter. The velocity of the gas through a hole is about 0.35 m / s. A mixer with 4 vertical blades rotates at a speed of 12000 rpm to destroy coalescing bubbles and reduce their diameter.
Le rendement de la dissolution, obtenu en calculant le rapport [CO2 dissous]/[CC>2 introduit] est de l’ordre de 55%.The yield of the dissolution, obtained by calculating the ratio [dissolved CO2] / [DC> 2 introduced] is of the order of 55%.
En négligeant le dégazage du CO2 dissous (au niveau du photobioréacteur 505, et éventuellement au niveau du réservoir-tampon 514) et en supposant que les organismes phototrophes sont synchronisés au dispositif 513 de dissolution de CO2 gazeux dans l’eau, i.e. la totalité du CO2 dissous dans l’eau par le dispositif susnommé est consommée par les organismes phototrophes, alors le rendement du procédé d’absorption du CO2 par les organismes phototrophes est le rendement de la dissolution de CO2 gazeux dans l’eau.By neglecting the degassing of the dissolved CO2 (at the level of the photobioreactor 505, and possibly at the level of the buffer tank 514) and assuming that the phototrophic organisms are synchronized with the device 513 for dissolving CO2 gas in the water, ie the whole of the CO2 dissolved in water by the aforementioned device is consumed by the phototrophic organisms, then the efficiency of the process of absorption of CO2 by phototrophic organisms is the efficiency of the dissolution of CO2 gas in water.
Dans les conditions décrites ci-dessus, la concentration en algues se stabilise à lg/L. Pour extraire de la biomasse 506, on peut prélever (ponctuellement ou de manière continue) une portion du milieu de culture, puis lui faire subir un traitement comprenant des étapes de filtration, floculation puis séchage.Under the conditions described above, the concentration of algae stabilizes at 1 g / l. To extract biomass 506, a portion of the culture medium can be sampled (punctually or continuously) and then subjected to a treatment comprising filtration, flocculation and drying steps.
Le volume d’eau peut être maintenu constant par l’ajout d’eau d’appoint 512 dans le photobioréacteur 505 pour compenser les pertes dues à l’évaporation et aux prélèvements de milieu de culture.The volume of water can be kept constant by the addition of make-up water 512 in the photobioreactor 505 to compensate for the losses due to evaporation and samples of culture medium.
En résumé, on peut comparer la composition du gaz de combustion d’un four à verre après un traitement traditionnel utilisé actuellement dans l’industrie verrière sans procédé d’épuration par des organismes phototrophes, avec la composition de ce gaz après traitement par le procédé d’épuration selon le mode de réalisation de l’invention décrit ci-dessus.In summary, one can compare the composition of the combustion gas of a glass furnace after a traditional treatment currently used in the glass industry without purification process by phototrophic organisms, with the composition of this gas after treatment by the process purification according to the embodiment of the invention described above.
Le traitement traditionnel consiste en un simple nettoyage du gaz. D’abord ce gaz passe des électro-filtres pour éliminer poussières et subir un traitement DeSOx pour éliminer les oxydes de soufre (par exemple par addition de CaCC>3 en milieu aqueux, selon la réaction : CaCC>3 + S02 CaS03 + C02), puis le gaz résultant passe sur un catalyseur DeNOx pour éliminer les oxydes d’azote (par exemple en injectant du NH3 sous forme de NH4OH sur une matrice céramique en nid d’abeille qui catalyse la réaction de dégradation des oxydes d’azotes en H2O, O2 et N2.Traditional treatment consists of a simple cleaning of the gas. First this gas passes electro-filters to remove dust and undergo DeSOx treatment to remove sulfur oxides (for example by adding CaCC> 3 in aqueous medium, depending on the reaction: CaCC> 3 + SO 2 CaSO 3 + CO 2) then the resulting gas passes over a DeNOx catalyst to remove the nitrogen oxides (for example by injecting NH3 in the form of NH4OH on a ceramic honeycomb matrix which catalyzes the degradation reaction of the nitrogen oxides to H 2 O , O2 and N2.
Les valeurs sont reprises dans le tableau suivant :The values are listed in the following table:
Dans cet exemple, le procédé d’épuration de gaz comprenant du CO2 selon l’invention permet de rejeter 50% de CO2 en moins dans l’atmosphère que par le procédé traditionnel.In this example, the gas purification process comprising CO2 according to the invention makes it possible to reject 50% less CO2 in the atmosphere than by the conventional method.
On décrit, en relation avec la figure 8, un procédé d’épuration de gaz comprenant du CO2 au moyen d’organismes phototrophes. Ce procédé comprend une étape 801 d’apport d’eau provenant d’une source d’eau ; une étape 802 de captation et lavage du gaz dans un absorbeur comprenant au moins une portion de l’eau de manière à obtenir une solution aqueuse de CO2 ; une étape 803 de préparation, à partir d’au moins une portion de l’eau, d’une solution aqueuse comprenant des nutriments ; une étape 804 d’injection dans un photobioréacteur comprenant les organismes phototrophes d’au moins une portion de la solution aqueuse de CO2 et d’au moins une portion de la solution aqueuse comprenant les nutriments ; une étape 805 d’illumination du contenu du photobioréacteur par un rayonnement lumineux.In connection with FIG. 8 is described a gas purification process comprising CO2 using phototrophic organisms. This method comprises a step 801 for supplying water from a water source; a step 802 for capturing and washing the gas in an absorber comprising at least a portion of the water so as to obtain an aqueous solution of CO2; a step 803 of preparing, from at least a portion of the water, an aqueous solution comprising nutrients; a photobioreactor injection step 804 comprising the phototrophic organisms of at least a portion of the aqueous CO2 solution and at least a portion of the aqueous solution comprising the nutrients; a step 805 for illuminating the contents of the photobioreactor with light radiation.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation mentionnés ci-dessus.Of course, the invention is not limited to the embodiments mentioned above.
En particulier, l’Homme du Métier pourra apporter toute variante dans le choix de l’espèce d’algues ou micro-algues ou plus généralement d’organisme phototrophe. Outre les Chlorella vulgaris mentionnées ici, on peut par exemple et à titre non limitatif utiliser des Chlorella sorokiniana, des Dunaliella tertiolecta, des Dunaliella salina ou des Haematococcus pluvialis. On peut également utiliser un mélange de plusieurs espèces. L’organisme phototrophe peut aussi être une bactérie, comme par exemple une cyanobactérie, telle la Spirulina platensis.In particular, the skilled person may provide any variant in the choice of the species of algae or micro-algae or more generally phototrophic organism. In addition to the Chlorella vulgaris mentioned here, it is possible, for example and without limitation, to use Chlorella sorokiniana, Dunaliella tertiolecta, Dunaliella salina or Haematococcus pluvialis. A mixture of several species can also be used. The phototrophic organism may also be a bacterium, such as for example a cyanobacterium, such as Spirulina platensis.
L’invention s’applique bien sûr, également à des réacteurs fermés, et à des lagunes (ouvertes ou fermées).The invention applies of course, also to closed reactors, and lagoons (open or closed).
De même, l’invention n’est pas limitée à une culture en batch et s’applique également à une culture en continu.Likewise, the invention is not limited to a batch culture and also applies to a continuous culture.
En outre, l’invention ne s’applique pas uniquement au traitement des gaz de combustion issus des fours à verre ou à chaux, mais aussi à tout type de gaz ou de fumées comprenant du CO2, tels que de l’air, des gaz ou fumées de combustion, par exemple industrielle.In addition, the invention does not apply solely to the treatment of flue gases from glass or lime furnaces, but also to any type of gas or fumes including CO2, such as air, gases or combustion fumes, for example industrial.
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