 |
|
|
|
 |
Photobioréacteur |
|
 |
Renseignements divers |
 |
Projet :
Photobioréacteur |
 |
Réalisé
par :
Alexandre Dugas |
 |
Type de projet :
Conception d'appareil
ou de logiciel |
 |
Catégorie :
Sciences appliquées
et technologie |
 |
Classe :
Intermédiaire |
 |
Âge du participant
:
15 ans |
 |
École :
Collège Durocher |
 |
Professeur :
Patrick Mathieu |
 |
A remporté :
Médaille d'or pour un projet
en biotechnologie, Intermédiaire |
|
|
Projet présenté à l'Expo-sciences
Bell, finale de la Montérégie 1998
Sélectionné pour la Super Expo-sciences Bell, finale québécoise
1998 (Montréal)
Projet sélectionné pour l'Expo-sciences pancanadienne de
Timmins 1998 où il a remporté :
Médaille d'or pour un projet en biotechnologie, Intermédiaire
Utilisation d'un photobioréacteur
pour la production d'oxygène
 |
Mise en situation |
Plusieurs personnes fréquentent chaque jour
des lieux de travail dont la construction, généralement
récente, est de type hermétique. En effet, dans de nombreux
édifices à bureaux, parfois hauts d'une bonne centaine d'étages,
il est impossible d'ouvrir une fenêtre pour permettre une bonne
circulation d'air. Bien que ces structures comportent un système
de ventilation perfectionné, ce dernier est souvent inefficace
à évacuer le gaz carbonique dégagé par les
personnes occupant ces bureaux.
Le gaz carbonique, comme vous le savez, est néfaste. On considère
qu'un taux dépassant 600 ppm (parties par million) constitue un
seuil d'alarme. Si la teneur d'une pièce en gaz carbonique devient
trop élevée (teneur normale de l'air : 350 ppm), les occupants
de l'établissement souffrent de migraines, de manque de concentration
et même parfois d'agressivité. Une étude du docteur
Fanger a d'ailleurs démontré que 42 % des problèmes
d'insatisfaction exprimés par les occupants sont liés à
une mauvaise ventilation. L'idéal serait donc de trouver un système
de ventilation qui puisse transformer le gaz carbonique en oxygène,
tout en fonctionnant en circuit fermé afin de sauvegarder les économies
que permettent les systèmes actuels.
|
Hypothèse |
Sachant que toute plante verte, sous l'action de la
photosynthèse, remplace le gaz carbonique par de l'oxygène;
il serait peut-être possible de régénérer de
l'air à partir d'une structure qui renfermerait des végétaux.
Comment faire, cependant, quand on sait qu'il serait pratiquement impossible
de concentrer, dans des bureaux, un nombre suffisant de plantes pour répondre
à la demande en oxygène de tout un édifice? De plus,
le coût d'une structure semblable serait excessivement élevé...
Il faut donc se tourner vers les micro-organismes. Les algues microscopiques
sont de bonnes candidates à cette fin car il est possible de les
concentrer dans un espace aussi petit qu'un centimètre cube! Elles
sont aussi plus faciles à contrôler que les bactéries
et elles ne représentent pas de danger pour les humains.
 |
Solution |
J'ai donc construit un prototype de photobioréacteur
afin de démontrer la faisabilité d'utilisation d'algues
microscopiques pour la régénération en oxygène
de l'air ambiant.
|
Fonctionnement du photobioréacteur |
Principe :
Le principe est celui-ci : faire circuler des bulles d'air dans une solution
d'algues. La photosynthèse produite par les algues réduit
la teneur en CO2 de l'air injecté dans le photobioréacteur,
et augmente la concentration en oxygène :
6CO2+ 12H2O + lumière _ C6H12O6
+ 6O2 + 6H2O
Afin de maintenir la croissance des algues, des nutriments riches en phosphore
sont régulièrement injectés dans le réacteur.
L'efficacité de la production dépend de deux conditions
: la richesse de la culture d'algues et la longueur du trajet parcouru
par les bulles d'air.
Algues et nutriments utilisés :
Pour démarrer une culture d'algues, on utilise un aquarium dans
lequel nagent deux poissons. Les deux animaux produisent des excréments
dont la composition est riche en phosphore. Au bout de quelques jours,
les deux poissons meurent asphyxiés par le manque d'oxygène
et la forte teneur en phosphore, car l'eau ne subit aucune filtration
durant ce laps de temps. Au bout d'un mois, les premières algues,
appartenant au groupe des ankistrodesmus, apparaissent. Ces dernières
se multiplient à une vitesse exponentielle. Étant donné
que les règlements des Expo-sciences interdisent la présence
d'êtres vertébrés dans les stands, des fertilisants
constitués de 10 % d'azote, de 52 % de phosphore et de 10 % de
potasse soluble sont utilisés comme source alternative de phosphore.
Construction de la structure :
Une fois la production d'algues amorcée, on doit ensuite concevoir
un bocal spécialement destiné à favoriser la production
d'oxygène. Ce bocal - en fait, le corps même du photobioréacteur
- peut être fabriqué en acrylique transparent, un matériau
léger et facile à façonner. Celui-ci est construit
en prisme hexagonal, car c'est la forme qui procure le minimum de surface
pour le maximum de volume, réduisant ainsi le coût des matériaux
au maximum. (Les fuites sont colmatées avec du silicone pour aquarium
afin de ne pas empoisonner les algues).
Dans ce système, l'air de l'extérieur est introduit par
l'intermédiaire d'une pompe. Les bulles engendrées se déplacent
le long d'un escalier en spirale, laquelle permet d'éviter qu'elles
ne montent trop rapidement vers la surface. La spirale est constitué
de plusieurs ailettes en acrylique. Ainsi, l'air peut circuler plus lentement
dans la solution.
Si l'on veut enfin que les algues produisent de l'oxygène, il faut
de la lumière. C'est pour cette raison que le photobioréacteur
possède un néon de 15 watts. Ce dernier est inséré
dans un autre prisme hexagonal.
 |
Résultats obtenus |
Les résultats obtenus l'ont été
sur une période de dix jours. Ces résultats mettent en relief
une capacité réelle du réacteur de produire de l'oxygène.
J'ai remarqué que l'efficacité du réacteur augmentait
lorsqu'on provoquait une dispersion des algues, celles-ci ayant tendance
à se déposer sur les surfaces planes du réacteur.
Aussi, contrairement à ce qui était initialement prévu,
l'enrichissement souhaité en oxygène est obtenu, non par
une circulation simple de l'air provenant de l'extérieur, mais
par une recirculation constante de cet air à l'intérieur
du réacteur.
|
Principales difficultés
rencontrées |
La principale difficulté de ce procédé
est de maintenir les algues en suspension. Celles-ci, au bout d'un certain
temps, se regroupent pour former de petits ballots. Ces agglomérations
ne font que nuire au rendement du bioréacteur car alors, il n'y
a plus qu'une mince couche d'algues qui participent au processus de la
photosynthèse. Une pompe actionnée par une perceuse a donc
été raccordée au photobioréacteur dans le
but d'agiter l'eau et de maintenir les algues en suspension. Les lieux
de sortie et d'entrée de l'eau, situés respectivement à
la base et dans le haut du réacteur, favorisent la création
d'un courant de convection.
L'essoufflement de la culture constitue le deuxième obstacle rencontré.
En effet, l'efficacité du réacteur n'a cessé de décroître
lorsque le système fonctionnait sur une base de quatre heures de
repos pour vingt heures d'activité. L'efficacité s'est rétablie
lors du passage à un cycle de douze heures de repos pour 12 heures
d'activité.
|
Conclusion |
Les algues ont fourni des résultats moins bons
que prévu. Pour améliorer les performances, il faudrait
que le débit d'eau soit encore beaucoup plus lent si on veut pouvoir
obtenir une baisse adéquate du taux de gaz carbonique. Il faudrait
aussi analyser plusieurs variétés d'algues : ici, une seule
sorte d'algue a été testée. Des milliers d'autres,
à plus haut rendement, pourraient peut-être être utilisées.
Mais est-ce que les algues constituent la voie la plus favorable pour
aider à régénérer l'air? Serait-il possible
d'utiliser des bactéries?
|
© 2002, Conseil de développement du loisir scientifique
(CDLS). Ce document est distribué par le Conseil de
développement du loisir scientifique.
Visitez le www.cdls.qc.ca
pour obtenir de plus amples renseignements. |
Les opinions exprimées
dans ce texte sont celles des auteurs et ne reflètent
pas nécessairement le point de vue de Merck Frosst ou de
ses employés. |
| |
|
|
Principe :
