Validation expérimentale
5.2. Nouveau dispositif expérimental : photobioréacteur de 9,6 l
Porphyridium purpureum sera cultivé en milieu Hemerick (1973) dans un
photobioréacteur de 9,6 litres (volume utile) de type colonne à bulles, similaire à ceux de 2,5 litres utilisés dans le Chapitre II pour valider le modèle mathématique. Le photobioréacteur peut fonctionner en mode semi-continu et en mode continu.
Le corps du réacteur est construit en verre avec un rapport surface/volume égal à 32,24 m2/m3. La géométrie du réacteur est constituée à sa base d'un cylindre d’injection du mélange gazeux. Ce mélange gazeux est introduit par un verre fritté dans un cylindre sur lequel est prise la recirculation de la culture. Il est suivi par une forme conique qui permet d’augmenter le diamètre jusqu’au cylindre principal de 0,4 m de hauteur et de 0,17 m de diamètre intérieur. Le cône et le cylindre supérieures sont inclus dans une double enveloppe qui permet de maintenir la température à une valeur constante grâce à la circulation d’eau distillée thermostatée (cf. figure 5.2).
A sa partie supérieure, des rodages sont prévus pour supporter les sondes (YSI 8500) et pH, la boucle de recirculation, l’alimentation en milieu de culture et l’entrée des solutions acide et base pour la régulation du pH. D’autre part, il supporte le dégagement gazeux équipé d’un filtre Millipore 0,2 µm qui permet d’assurer la stérilité du réacteur en cas de dépression. .
Un système d’aération par bullage assure l’apport de la source carbonée et l’agitation de la culture. Un mélange air/ contenant 2% de est injecté de façon continue dans le photobiorécateur avec un débit de 2,5 VVH (volume de gaz par volume de culture par heure). Ce mélange gazeux injecté par la partie inférieure de la cuve, est fractionné en utilisant un raccord contenant une pastille de verre fritté. Les débits gazeux d’entrée sont mesurés et régulés par deux débitmètres massiques avec vanne de régulation intégrée (Vögtlin Instruments, Red-y Smart Series). Leur précision est donnée par le constructeur pour être de 0,5 %.
Quatre tubes fluorescents blancs Osram BIOLUX® et quatre tubes Osram FLUORA® sont placés autour de la colonne. Le spectre lumineux des lampes FLUORA®
165
est particulièrement puissant dans la zone des bleus (450 nm) et dans la zone des rouges (650 nm). Cette combinaison de tubes fluorescents permet d’avoir un système d’éclairage approprié proche de la lumière solaire. L’utilisation de ballasts électroniques permet le réglage de l’intensité lumineuse en continu à l’aide d’un bouton poussoir. La cuve en verre présente une surface éclairée de 0,31 m2. Pour augmenter la lumière accessible à la culture nous avons rajouté au système d’éclairage, un réflecteur en aluminium qui entoure le réacteur sur toute sa hauteur.
Le système de surveillance du CO2 se compose du moniteur de CO2 Biovision YSI 8500, du câble série YSI 8500, de la sonde série YSI 8500 et de la capsule du capteur YSI 8550. Il utilise la technologie Opto-chimique. La capsule du capteur de CO2 se compose d’un petit réservoir de tampon de bicarbonate recouvert par une membrane de silicone perméable au gaz. Le tampon contient de l’HPTS (acide trisulfonique hydroxypyrène), un colorant fluorescent sensible au pH. L’étalonnage se fait en tenant compte de la pression atmosphérique et de celle du réacteur.
Figure 5.1 : Composants du système de surveillance YSI 8500 (documents YSI® ).
Le CO2 diffusé dans le tampon à travers la membrane modifie son pH. Cette modification entraîne celle de la fluorescence du colorant. Les réactions sont les suivantes :
0
(5.1)
Moniteur de CO2 8500
Câble à fibre optique
Sonde 8500 Capsule du capteur 8550 (cachée
166
Figure 5.2 : Corps du réacteur.
Sonde pH Sonde CO2
167
Le moniteur Biovision 8500 détermine alors la concentration de CO2 de l’échantillon en comparant la fluorescence du colorant à deux longueurs d’ondes différentes. Les résultats sont importés sur l’ordinateur à partir du moniteur YSI 8500 en utilisant le port série RS232. Le capteur mesure la pression partielle du CO2 dissous qui, couplé à la mesure du pH, permet de connaître la concentration en carbone inorganique total dans le milieu (cf. Chapitre II, équation 2.15).
Figure 5.3 : Capsule du capteur YSI 8500 (documents YSI® ).
Les sondes à pH (électrode combinée) et à oxygène dissous (sonde à ion spécifique et température) sont reliées à une centrale d’acquisition multi-paramètres Consort D130 qui permet l’exploitation des mesures directement sur l’ordinateur via interface et logiciel.
Les sondes de type électrochimique doivent être souvent étalonnées et plus particulièrement celle qui mesure l’oxygène dissous. Pour effectuer cette opération facilement, nous avons placé la sonde à O2 dans une boucle externe de recirculation qui nous permet aussi, en isolant la sonde, d’une part, de l’étalonner, et d’autre part, de faire un prise d’échantillon. Cette recirculation est assurée par une pompe Watson Marlow 302 située sous le réacteur.
Couche d’acier inoxydable perforé
Couche externe de polymère inerte
Corps de la sonde (acier inoxydable) Fibre optique Couche de colorant
Couche interne de polymère (transparente)
168
169
Pour le fonctionnement en mode continu, l’injection du milieu de culture dans le réacteur se fait en utilisant une pompe Watson Marlow 323 que l’on peut piloter automatiquement en émettant des signaux analogiques compris entre 0 et 10 V. Elle est commandée au moyen d’une carte National Instruments PCI-6024E qui possède des sorties analogiques correspondant au voltage de commande de la pompe. Cette carte comprend 2 voies de conversion digital-analogiques, 16 entrées analogiques et 8 E/S digitales. La pompe péristaltique d’alimentation doit être étalonnée pour chaque changement de tuyau calibré qu’on utilise (tuyau en neoprène NORPRENE® 06404-14 de Masterflex® de 1,6mm de diamètre interne). Pour ce faire, nous mettons la bonbonne d’alimentation en milieu de culture sur une balance ce qui nous permet d’apprécier la quantité de liquide pompé par unité de temps. Les débits repérés sont les suivants :
Tableau 5.1 : Débits pour le tuyau NORPRENE® 06404-14
Tours/mn é !/ #$ é !/%$ 5 10 20 50 100 1,5666 3,1325 6,2551 15,6626 31,323 0,0940 0,1800 0,3753 0,9398 1,8794
Figure 5.5 : Débit de la pompe d’alimentation en fonction du nombre de tours/mn. y = 0,0188x R² = 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 0 20 40 60 80 100 120 D é b it ( l/ h ) Tours/mn
170
Le pH peut-être régulé à l’aide de deux pompes péristaltiques, l’une introduisant de l’acide (HCl 0,5 N), l’autre introduisant une base (NaOH 0,5N). Chacune de ces pompes est commandée au moyen d’un signal tout ou rien (&) issu d’une carte Adlink PCI-7260 qui se compose de 8 relais électromagnétiques (250 V, 5 A) et de 8 entrées digitales isolées optiquement.
La récolte se fait au moyen d’une surverse située en partie haute du photobioréacteur. La bonbonne qui reçoit la récolte est équipée de deux filtres Millipore 0,20 µm de 4,5cm de diamètre qui assurent la respiration.
L’estimateur d’état et les lois de commande ont été implémentées sous l’environnement Matlab™ et Simulink.