UMR CNRS 6144
Génie des Procédés Environnement et Agroalimentaire
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Développement de photobioréacteurs solaires intensifiés

Introduction/contexte

Les photobioréacteurs clos apportent de nombreux avantages pour la production de bioénergies (contrôle des conditions de culture, forte productivité) mais leur coût étant plus élevé, un saut de performance est nécessaire pour être compétitifs. Les technologies doivent alors être optimisées sur plusieurs points, à la fois dans leur conception (maximisation de la captation et de l’apport en lumière au sein de la culture) et leur mise en œuvre (conditions hydrodynamiques, transferts thermiques et gaz-liquides).

Le développement de photobioréacteurs solaires intensifiés est un axe de recherche important du laboratoire GEPEA, qui s’est concrétisé en particulier au sein du programme BIOSOLIS (www.biosolis.org). Ce projet de recherche industrielle a été coordonné par le laboratoire GEPEA et a associé le LGCB (Université Blaise Pascal de Clermont-Ferrand), le laboratoire PROMES (CNRS, Perpignan), et les entreprises ENKI Innovation (intensification de procédés) et Sibylux (fibres optiques, sources de lumière). Le projet a commencé en décembre 2007 et a duré 36 mois. Il a bénéficié dans le cadre du PNRB d’une aide ANR de 754 k€ pour un coût global de l’ordre de 1 858 k€.

Objectif du projet

Projet Biosolis

Le programme BIOSOLIS a pour objectif le développement de photobioréacteurs  à productivité élevée, contrôlés, et à faible consommation énergétique. Pour atteindre les ruptures technologiques visées, Biosolis a fédéré des compétences en ingénierie des photobioréacteurs et en gestion optimisée de la ressource solaire (captation et exploitation), avec une vision intégrée de développement, incluant les coûts de production, de séparation, et la diminution des besoins en ressources (énergie, eau, milieu…). Les technologies ont ensuite été développées par la combinaison d’outils théoriques (modélisation du transfert de rayonnement, modèles de dimensionnement) et d’études expérimentales en laboratoire et en conditions extérieures.

Resultats

Deux technologies ont été développées, répondant chacune à un principe d’utilisation du flux solaire, à savoir la captation directe en couche mince (photobioréacteur « AlgoFilm ») et la captation-dilution dans le volume de culture (photobioréacteur « DiCoFluV »). Ces deux systèmes concilient une productivité en surface au sol élevée (la captation-dilution apportant un gain à ce niveau), et un fonctionnement en haute concentration en biomasse (supérieure à 10kg/m3, soit environ un facteur 100-200 par rapport aux systèmes ouverts de type bassins). Les deux systèmes ont également une faible consommation énergétique compatible avec l’application visée de production de bioénergies (solutions passives de régulation thermique, gestion des infrarouges).

Les photobioréacteurs ont fait l’objet de trois dépôts de brevets sur les aspects innovants de chaque système. Plusieurs publications internationales ont également été réalisées, en particulier sur le développement d’outils théoriques pour le dimensionnement optimisé et la simulation de photobioréacteurs solaires en fonction du lieu géographique, de la période de l’année, des cycles jours-nuits, etc (calcul des productivités, prédiction du comportement thermique et de la consommation énergétique). Le projet a également donné lieu à deux thèses et un post-doctorat portant directement sur les technologies, et deux thèses sur des aspects parallèles à leur optimisation.

Applications possibles

Ces technologies intensifiées s'appliquent à toute valorisation contrôlée de microalgues par voie solaire. De par leur fort niveau d'intensification et leur faible niveau de consommation énergétique, l'application biocarburant est privilégiée à terme, mais des applications sont d'ores et déjà lancées pour la fixation de CO2 ou la production de biomasse.

Voir www.biosolis.org

Publications

  1. J.PRUVOST, J.F.CORNET, V.GOETZ, J.LEGRAND, Theoretical investigation of biomass productivities achievable in solar rectangular photobioreactors for the cyanobacterium Arthrospira platensis, Biotechnology progress (sous presse).
  2. V.GOETZ, F.LE BORGNE, J.PRUVOST, G.PLANTARD, J.LEGRAND, A generic temperature model for solar photobioreactors, Chemical Engineering Journal, 175, 443-449, 2011.
  3. J.PRUVOST, J.F.CORNET, V.GOETZ, J.LEGRAND, Modeling dynamic functioning of rectangular photobioreactors in solar conditions, AIChE Journal 57, 7, 1947-1960, 2011.
  4. J.PRUVOST, Cultivation of algae in photobioreactors for biodiesel production, “Biofuels: alternative feedstocks and conversion processes”, Edited by A.Pandey et al., Academic Press, Elsevier, 439-464, 2011.
  5. J.PRUVOST, J.F.CORNET, F. LE BORGNE, J.JENCK,  Production industrielle de microalgues photosynthétiques, Techniques de l’Ingénieur (parution en novembre 2011).
  6. J.F.CORNET, Calculation of optimal design and ideal productivities of volumetrically-lightened photobioreactors using the constructal approach. Chemical Engineering Science 2010;65:985-998.

Projets