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Manuel de Culture Artisanale de la Spiruline SOMMAIRE 1.Chapitre 1: Qu'est-ce que la Spiruline ? 2.Chapitre 1: Influence du Climat 4.Chapitre 2: Milieu de Culture 6.Chapitre 2: Nourriture minérale de la spiruline 7.Chapitre 3: Conduite et entretien de la culture ANNEXES TECHNIQUES A1: Influence de différents facteurs sur la croissance A2: Mesure de la concentration en spiruline A6: Tests de qualité faciles à réaliser A7: Absorption du CO2 atmosphérique A8: Interaction Photosynthèse / Absorption du CO2 A9: Productivité en fonction de l'ombrage A10:Consommation d'eau en fonction de l'ombrage A11: Correspondance entre pH et rapport CO2/base A12: Mélanges de carbonate et de bicarbonate A13: Neutralisation de l'eau de cendre A14: Composition de divers produits A15: Matériel de laboratoire utile A18: Limites de concentrations dans le milieu de culture A19: Composition élémentaire de la spiruline A20: Composition nutritionnelle de la spiruline A21: Eléments de prix de revient A22: Pour comparer les spirulines à d'autres algues A23: Spirulines vues au microscope CALCULS A27.6: Modèle de simulation d'un bassin ouvert discontinu BATCH A28: Modèle de simulation d'un bassin sans récolte SANSREC A29: Modèle de simulation d'un bassin en croissance CROISS ANNEXES GENERALES A34: Disquette (3.5") des programmes de simulation A35: Projet semi-artisanal de 5 kg/jour
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 Cultivez Votre SpirulineManuel de Culture Artisanale de la Spiruline by Jean-Paul Jourdan Le Castanet, Mialet, 30140 Anduz, France. email: jpj@bsi.fr. CALCULS A27) MODELE DE SIMULATION DU FONCTIONNEMENT D'UN BASSIN DE SPIRULINE A L'AIR LIBRE Le modèle de simulation spirulin.exe décrit ici est écrit en langage "QBasic" de Microsoft et a été compilé sous forme exécutable à partir du système d'exploitation DOS d'un ordinateur PC. Il est recommandé de lire la notice ci-dessous avant d'utiliser ce modèle. Utilisation L'intérêt du modèle est de pouvoir optimiser rapidement la marche d'un bassin fonctionnant sur un site donné, dans des conditions climatiques et un environnement économique donnés. Il peut servir aussi comme aide à la conception d'un bassin correspondant à un objectif donné. A27.1) Principe A partir d'un milieu de culture à pH donné au temps zéro, on calcule la croissance des spirulines heure par heure plusieurs jours de suite et simultanément on fait le bilan thermique (en négligeant les pertes thermiques par le fond et les côtés du bassin) et le bilan carbone (absorption de CO2 de l'atmosphère + injection - consommation), d'où modification de la température et du pH, qui eux-mêmes déterminent la vitesse de croissance. Chaque jour à heure fixe on purge une fraction du milieu de culture, on la remplace par du milieu neuf et on fait l'appoint d'eau pour compenser l'évaporation, puis la concentration en spiruline est ramenée à la concentration initiale (= récolte). Dans ces conditions le pH tend vers une limite et quand celle-ci est atteinte le calcul est arrêté. La température sèche de l'air ambiant et l'éclairement du bassin sont calculés ou fournis heure par heure mais maintenus identiques chaque jour. La température de rosée de l'air et la vitesse du vent sont gardées constantes. La nuit, le contenu du bassin peut être isolé (à la fois thermiquement et de l'atmosphère); de jour comme de nuit, il peut être ombré par un ombrage isolant réduisant du même pourcentage le rayonnement incident et les pertes thermiques par rayonnement du bassin vers le ciel. En cas d'isolation nocturne, une aération minime est maintenue pour permettre la respiration de la culture mais elle est négligée du point de vue effet thermique et évaporation. Le programme de calcul ne tient pas compte de la fraction d'EPS non incluse dans la récolte, ni de la disparition de spirulines par mortalité ou du fait de prédateurs (on admet pour ces deux cas qu'il y a recyclage du carbone à l'intérieur de la culture). La vitesse de photosynthèse peut être ajustée sur les productivités nettes expérimentales au moyen d'un coefficient ; de même le coefficient d'absorption du CO2 est ajustable. L'alcalinité et la dureté éventuelles de l'eau d'appoint sont négligées dans le calcul, par contre sa salinité totale est prise en compte (permettant l'utilisation d'eau saumâtre ou même d'eau de mer, traitée pour élimination de l'excès de dureté) et on admet que l'eau apporte le calcium nécessaire. L'acidification ou l'alcalinisation éventuelles du milieu sous l'effet de la consommation des nutriments (notamment urée et nitrate) sont négligées. Le programme néglige aussi l'effet de l'ombrage apporté par les bords du bassin par soleil non vertical. Il ne prend pas en compte l'influence de facteurs conduisant à un éventuel cycle alternant hautes et basses productivités. La photoinhibition à basse température est prise en compte sous forme d'une interdiction d'opérer à température inférieure à 15°C quand l'éclairement dépasse 30 klux. Une variante permet au milieu de culture d'être en écoulement sur un plan incliné comme dans le système du Professeur Setlik. Dans ce cas l'inclinaison et l'orientation du plan incliné peuvent être choisies à volonté. Le modèle comporte un volet économique, permettant de calculer le cash flow (= prix de vente moins matières premières) généré par l'exploitation du bassin, compte tenu d'un système de prix fournis. A27.2) Variables Les noms de variables utilisés dans le programme ont été conservés pour désigner de façon concise les variables dans les tableaux d'entrées et de sorties. Ils sont définis ci-après: DONNEES LIEES AU SITE ET A LA METEO (Dans l'option où les données météo ne sont pas calculées mais fournies, seules les variables alt, trosee et vent sont à fournir dans la liste ci-dessous, mais il convient d'introduire toutes les valeurs du rayonnement et de la température : klux(h) et temp(h), heure par heure): alt = altitude, m DONNEES ECONOMIQUES PARAMETRES FIXES mais modifiables au besoin DONNEES SUR LESQUELLES JOUER POUR OPTIMISER LA MARCHE N.B. 1) Dans l'option où les données météo ne sont pas calculées, les variables azimd et incld sont inutiles N.B. 2) En cas d'utilisation d'un réservoir avec circulation de la culture entre réservoir et bassin, z = (volume total de culture, l)/ (surface de bassin, m2)/10. N.B. 3) L'injection d'urée n'est qu'indicative : si elle est trop faible ou trop forte le programme la corrigera, la limite maximum dépandant de la température maximum du bassin, avec un maximum absolu fixé à 800 g/kg de spiruline produite. A27.3) Fonctions A27.3.1) Absorption de CO2 atmosphérique Cf Annexes techniques A7 - absorption La spiruline ne respire qu'en l'absence de lumière. De jour nous admettons qu'elle ne voit la lumière que dans la couche superficielle de hauteur égale au Secchi (nous avons adopté la courbe correspondant à la souche Lonar avec turbidité de 12 cm, cf Annexe A2) et qu'il n'y a pas respiration dans cette couche, mais qu'au-dessous il y a respiration. On admet que la respiration cesse si le contenu du bassin est isolé la nuit (conformément à plusieurs expériences allant dans ce sens). Pour quantifier la respiration nous utilisons les résultats de J.F. Cornet Annexes generales - Cornet p. 115) pour la variation avec la température, mais pour la vitesse à 20°C nous prenons une moyenne entre les indications de Cornet et celles de L. Tomaselli et al. (1987) Annexes generales - Tomaselli. Ceci est bien sûr une approximation car la respiration dépend aussi de la teneur en hydrates de carbone dans la spiruline. Ces hypothèses servent de base pour la simulation ; voici quelques valeurs qui en découlent : DIMINUTION DU STOCK DE SPIRULINE (en % / jour) PAR RESPIRATION DANS L'OBSCURITE EN FONCTION DE LA TEMPERATURE DE LA CULTURE 10°C = 0,6 %/jour A27.3.3) Croissance par photosynthèse Nous admettons que la croissance de la spiruline par photosynthèse est le produit de 5 facteurs indépendants: - facteur de salinité, salef, fonction définie d'après les données de la thèse de Zarrouk (Annexes generales - Thèsezarrouk, p. 15) - facteur de température, d'après les données de Zarrouk (Thèse, Fig 19) reproduites en Annexes techniques - A1 - facteur de pH, d'après les données de Zarrouk (Thèse, Fig. 20) reproduites en Annexes techniques - A1 - facteur d'éclairement, lux, fonction basée sur les données de Zarrouk (Thèse, Fig. 3) reproduites en Annexe A1; nous avons négligé la baisse due à la photoxydation au-delà de 50 Klux. - facteur d'agitation (vitesse de circulation du milieu de culture). Ce facteur d'agitation, assez arbitraire, pourrait être affiné en cas de besoin. Nous admettons donc que la vitesse de photosynthèse ne dépend ni de la hauteur de liquide, ni de la concentration en spiruline, ni de la concentration en nutriments minéraux (autres que le bicarbonate), mais qu'elle est proportionnelle à la surface éclairée. Autrement dit, nous faisons les hypothèses, largement vérifiées dans la pratique si la concentration en spiruline demeure supérieure à environ 0,15 g/l, que la croissance est dans la phase linéaire, non limitée par les nutriments minéraux. A noter que la quantité de spiruline par m2 (hauteur de liquide x concentration) a cependant une influence sur la productivité par le biais de la respiration (cf § précédent). Nous admettons aussi que la croissance de la spiruline est uniquement autotrophe. Si une croissance mixotrophe, ou même éventuellement hétérotrophe, se produit en présence de sucre, elle sera fortement concurrencée par les organismes hétérotrophes cohabitant avec la spiruline dans le milieu (bactéries, zooplancton). L'erreur commise sur la croissance ne peut de toutes façons être que par défaut. A27.3.4) Données de températures et rayonnement solaire L'option calcul ne s'applique que pour un ciel sans nuage (on peut approximer un temps couvert en faisant varier l'ombrage). On admet que la température ambiante varie linéairement entre son minimum (au lever du soleil) et son maximum (à 14 heures solaires). On calcule le rayonnement solaire absorbé par la culture comme on le fait pour un capteur solaire, à partir des équations astronomiques et thermiques classiques rappelées dans Chouard, Michel et Simon (1977) Annexes generales - Chouard. L'option où les données sont fournies permet une souplesse totale (climats anormaux, asymétrie par rapport au milieu du jour, nébulosité, etc.). A noter que le rayonnement à fournir est celui absorbé par la culture en l'absence d'ombrage et non le rayonnement incident. A27.3.5) Bilan thermique Les échanges thermiques à travers le fond et les parois du réacteur sont négligés, mais on tient compte de l'énergie solaire consommée par la photosynthèse en prenant comme valeur calorifique de la spiruline 20,9 kJ/g (thèse de J.F. Cornet Annexes generales - Cornet (page 263). Les pertes thermiques par convexion vers l'atmosphère et par rayonnement vers le ciel sont calculées comme pour un capteur solaire selon les équations classiques rappelées par R. Gilles (1976) Annexes generales - Gilles et Chouard, Michel et Simon (1977) Annexes generales - Chouard. Les ajouts (eau, nutriments) sont supposés faits à la température de la culture. A27.4) Nota bene N.B. 1 Plusieurs critères de convergence étant utilisés simultanément, il arrive que l'indication "convergence non atteinte" conduise tout de même à un résultat satisfaisant (cf indication de l'erreur maximum). N.B. 2 La teneur en CO2 de l'air est généralement voisine de 340 vpm, mais peut varier selon les lieux, les saisons et l'heure. N.B. 3 Les nutriments donnés dans les résultats sont basés sur une formule de milieu de culture sans nitrate contenant, en plus du sel et du carbonate et/ou du bicarbonate, par litre de milieu : 0,015 g d'urée + 0,08 g de NH4HPO4 + 1 g de K2SO4 + 0,16 g de sulfate de Mg + 0,001 g de Fer et sur une formule de nourriture comprenant, en plus de l'urée (en g/kg de spiruline) : 50 NH4HPO4 + 40 K2SO4 + 30 sulfate de Mg + 0,5 Fer. La consommation de CO2 liquide est basée sur un rendement d'absorption de 95 %. Si la salinité apportée par l'eau d'appoint dépasse une certaine limite, on admet qu'il est inutile d'ajouter sulfate de soude et sulfate de magnésium (par exemple si eau d'appoint = eau de mer). Le coût du fer (et des oligoéléments) est négligé dans le calcul du cash flow. N.B. 4 Si un message d'erreur continue d'apparaître quelles que soient les modifications effectuées dans les données, arrêter en faisant nbjours = 0 puis redémarrer. SIMULATION DE CULTURE DE SPIRULINE PAR PROGRAMME "SPIRULIN" INFLUENCE DU TAUX DE PURGE En faisant varier uniquement le taux de purge, toutes les autres variables ayant les mêmes valeurs que dans la sortie d'imprimante ci-dessous ( à l'exception de l'urée qui doit être ajustée), on obtient le graphique du § suivant. SIMULATION D'UNE PRODUCTION DE SPIRULINE PAR PROGRAMME SPIRULIN Reference = Climat chaud et sec Date du calcul :08-20-1999 1) HYPOTHESES Donnees Generales 1. alt= 100 Prix, $/kg (sauf indication contraire) 28. bicarbonate = 1 Donnees pour calculs Meteo 41. jour = 21 Donnees Meteo calculees heure klux deg C 4 0 27.3 2) RESULTATS (Convergence obtenue en 31 jours) INFLUENCE DU TAUX DE PURGE (dans les conditions de l'exemple précédant) sans ajout de CO2
En première approximation ce graphique peut être utilisé même si les conditions diffèrent sensiblement de celles de l'exemple. Le modèle mathématique spirulin.exe permet de toutes façons de calculer des valeurs plus précises en cas de besoin. Légende du graphique :
A27.6) MODELE DE SIMULATION DU FONCTIONNEMENT DISCONTINU D'UN BASSIN DE SPIRULINE A L'AIR LIBRE A27.6.1) Description Ce modèle, dénommé BATCH est similaire à SPIRULIN, excepté qu'il simule le fonctionnement discontinu du bassin, depuis son ensemencement jusqu'à son arrêt, sans ajout de nourriture (apport d'azote exclusivement par nitrate). Ce mode de fonctionnement présente l'attrait d'une plus grande simplicité et facilite le nettoyage du bassin et le renouvellement de la souche. Il est recommandé de lire la notice ci-dessous avant d'utiliser ce modèle qui peut être appelé en cliquant sur batch.exe. Pour simplifier on admet que le bassin est ensemencé à 0,1 g/l et qu'en fin de campagne il est récolté jusqu'à cette même concentration. On admet aussi que les données météo restent les mêmes tout au long de la campagne, que le milieu de culture est à base de bicarbonate seulement et qu'aucune autre source de carbone (CO2, sucre) n'est utilisée. On néglige l'augmentation de basicité due à la consommation de nitrate et l'influence que peut avoir la diminution de la richesse du milieu de culture en nutriments en cours de campagne (mais une alarme signale l'épuisement éventuel en nutriments). L'option isolation a été supprimée. Pour tenir compte des opérations de démarrage et de nettoyage, on ajoute deux jours à la durée de fonctionnement ("nbjours") dans le calcul des résultats. D'autre part le calcul du cash flow prend en compte le coût du milieu de culture initial (qui sert ici de nourriture aussi), alors que dans le modèle SPIRULIN ce coût est considéré comme un investissement et n'entre pas dans le calcul du cash flow (seulement la nourriture et le renouvellement du milieu par les purges). De plus dans BATCH on utilise le nitrate plus cher que l'urée, et qui n'apporte pas de CO2, et on perd du CO2 dans toute la période de fonctionnement à pH < 9,8. Au total, les résultats en discontinu sont moins bons qu'en continu (cf SPIRULIN). A27.6.2) Exemples de résultats Pour faciliter la comparaison les exemples ci-dessous reprennent les mêmes données qu'au §A27.5 (SPIRULIN). Le cash flow maximum, 8 $/jour/100 m2, est obtenu pour une durée de campagne (nbjours) de 20 jours. Il correspond à une consommation de bicarbonate de 6,5 kg/kg de spiruline. La productivité correspondante est de 9 g/jour/m2. Comme le milieu de culture, pour une hauteur de liquide normale, est capable de produire au moins 500 g de spiruline /m2, on voit qu'il est loin d'être épuisé lors de son rejet. A une durée de campagne de deux mois correspondent un cash flow de 7 $/jour/100m2, une consommation de bicarbonate de 3,7 kg/kg et une productivité de 5,5 g/jour/m2. On ne consomme pas tout le stock initial de nutriments (sauf le fer). Exemple de sortie d'imprimante SIMULATION D'UNE PRODUCTION DE SPIRULINE PAR PROGRAMME BATCH Référence : climat chaud et sec 1)HYPOTHESES Données générales 1.alt=100; Prix,$/kg (sauf indication contraire) 28.bicarbonate=1; Données pour calcul météo 41.jour=21;42.latd=10; Données météo calculées (extrait) heure=12, klux=87,°C=31.6 2)RESULTATS Productivité moyenne, g/jour/m2 = 9.03 A28) MODELE DE SIMULATION D'UNE CULTURE A L'AIR LIBRE SANS RECOLTE Le modèle dénommé SANSREC est une variante de SPIRULIN. Il calcule la quantité de bicarbonate à mettre dans un bassin pour que le pH ne dépasse pas une certaine limite pendant une période sans récolte (absence pour congé par exemple). Il fournit aussi une estimation de l'eau et des engrais à ajouter. Les options isolation nocturne, purge, ajout de CO2 ou de sucre ont été supprimées car sans application pratique. Il est recommandé de lire la notice ci-dessous avant d'utiliser ce modèle qu'on peut appeler par : sansrec.exe. 28.1) Principe du calcul: On commence par calculer l'évaporation sur la période, d'où l'eau à ajouter. On calcule le pH final atteint en fin de période, à partir d'un pH initial que l'on fait varier depuis le pH actuel de la culture jusqu'à la valeur donnant un pH final égal ou inférieur à la limite demandée. La concentration en spiruline est ramenée à la concentration initiale au début de chaque itération avec un pH initial nouveau. L'apport d'azote se fait par le nitrate de potassium ; l'augmentation de basicité du à la consommation de ce produit est négligée. A28.2) Variables: Par rapport à SPIRULIN les principales variables nouvelles sont les suivantes: pha = pH actuel de la culture en début de période (le matin) phl = pH limite autorisé en fin de période (le soir) La variable nbjours représente la durée en jours de la période à étudier. A28.3) Fonctions Ce sont les mêmes que dans SPIRULIN. A28.5) Exemples de résultats Sortie sur imprimante: SIMULATION D'UNE PRODUCTION DE SPIRULINE SANS RECOLTE PAR PROGRAMME SANSREC Référence : climat froid 1)HYPOTHESES Données générales 1.alt=500; Données pour calcul météo 41.jour=21;42.latd=45; Données météo calculées (extrait) heure=12, klux=80.9,°C=18.7 2)RESULTATS Abaisser le pH à 10.26 en ajoutant, grammes de bicarbonate/m2 = 146.4 A29) MODELE DE SIMULATION D'UN BASSIN EN CROISSANCE A L'AIR LIBRE (A GEOMETRIE VARIABLE) Le modèle de simulation décrit ici, dénommé CROISS, est une variante du modèle SPIRULIN, avec en gros la même structure et les mêmes variables. Les options isolation nocturne et purge ont été supprimées, car sans objet. Pour utiliser ce modèle lire la notice ci-dessous et appeler le programme en cliquant sur : croiss.exe. Le principe est de remplacer la récolte par une dilution avec du milieu neuf, jusqu'à retrouver la concentration initiale (conci) chaque jour à heure fixe, en maintenant égale la hauteur de liquide (donc en accroissant la surface du bassin). On suppose ensuite, pour le calcul, qu'on revient au bassin initial de 1 m2. La croissance journalière est conc/conci, qui est cumulée (facteur de croissance). L'évaporation est compensée quotidiennement. Le rapport CO2/base est de c avant la dilution, et devient après la dilution: ca + (c-ca)*conci/conc. Le CO2 apporté par l'urée, si elle est utilisée, est négligé. Le nombre de jours n'influe pas sur le taux de croissance, mais un peu sur le pH. Exemple de sortie d’imprimante : SIMULATION DE LA CROISSANCE D'UN BASSINDE SPIRULINE PAR PROGRAMME CROISS Référence : climat chaud et sec 1)HYPOTHESES Données générales 1.alt=100; Données pour calcul météo 41.jour=21; Données météo calculées (extrait) heure=12, klux=87,°C=31.6 2)RESULTATS Facteur d'accroissement = 11.39 TAUX DE CROISSANCE MOYEN, %/jour = 27.5 SIMULATION DE CULTURE DE SPIRULINE PAR PROGRAMME "CROISS" Tableaux établis dans les mêmes conditions que dans la sortie d'imprimante page précédente : INFLUENCE DE LA PROFONDEUR DE CULTURE ET DE LA SOURCE D'ALCALINITE SUR LA CROISSANCE sur le taux de croissance moyen en % par jour :
125 % / jour pour une profondeur z = 8 cm
33 % / jour pour une profondeur z = 4 cm A30) MODELE DE SIMULATION DU FONCTIONNEMENT D'UN BASSIN FERME (PHOTOBIOREACTEUR) PRODUISANT DE LA SPIRULINE Le modèle de simulation décrit ici est écrit en langage "QBasic" de Microsoft et a été compilé sous forme exécutable à partir du système d'exploitation DOS d'un ordinateur PC. Ce modèle porte le nom de FOTOBIO et peut être appelé en cliquant sur : fotobio.exe. Pour l'utiliser, lire la notice ci-dessous. A30.1) Utilisation L'intérêt du modèle est de pouvoir optimiser rapidement la marche d'un photobioréacteur fonctionnant sur un site donné, dans des conditions climatiques données. Il peut servir aussi comme aide à la conception d'un photobioréacteur correspondant à un objectif donné. A30.2) Application Le modèle s'applique au cas d'un bassin fermé par une couverture translucide, avec ventilation contrôlée. Un mode de réalisation particulier est de tendre un film de serre par dessus les bords du bassin (cf J.P. Jourdan (1993) Annexes generales - Monaco, page 191); un autre est constitué par le "bassin respirant" à aération naturelle par cheminée (cf R. D. Fox,1996 Annexes generales - Fox); une gaine en film de serre, placée horizontalement et remplie partiellement de milieu de culture constitue aussi un mode de réalisation possible de photobioréacteur. Pour que la simulation s'applique il faut et il suffit que la surface de la culture en contact avec l'atmosphère interne soit égale à la surface éclairée. Le milieu de culture peut ainsi être en écoulement sur un plan incliné comme dans les photobioréacteurs de type Setlik. Le mode d'introduction de l'air, soufflante ou bullage, importe peu. Il n'y a pas de limitation à l'inclinaison et à l'orientation de la surface active de la culture, mais la latitude du site d'installation doit être comprise entre les cercles polaires. Pour les climats froids, un chauffage et/ou un effet de serre facultatifs ont été prévus: le chauffage peut être soit électrique, soit par combustion de propane (dans ce cas il est prévu en option la co-génération d'électricité et le CO2 de combustion peut servir à alimenter la culture). Une autre option facultative est l'isolation nocturne de la culture. A30.3) Principe du calcul A partir d'un milieu de culture à pH donné au temps zéro, on calcule la croissance des spirulines heure par heure plusieurs jours de suite; le bilan thermique et le bilan carbone (absorption de CO2 de l'air + injection - consommation) permettent de calculer la température et le pH, qui eux-mêmes déterminent la vitesse de croissance. Chaque jour à heure fixe on purge une fraction du milieu de culture, on la remplace par du milieu neuf et on fait l'appoint d'eau pour compenser l'évaporation, puis la concentration en spiruline est ramenée à la concentration initiale (récolte). Dans ces conditions l'état de la culture tend vers une limite et quand celle-ci est atteinte le calcul est arrêté. La température sèche de l'air ambiant et le rayonnement absorbé par la culture sont fournis ou calculés heure par heure mais maintenus identiques chaque jour. La température de rosée de l'air et la vitesse du vent sont gardées constantes. La nuit, si la culture est isolée (à la fois thermiquement et de l'atmosphère), le chauffage est coupé; le jour, la culture peut être ombrée et/ou chauffée. L'ombrage est maintenu la nuit. Le débit d'aération de la culture est gardé constant, mais peut être choisi différent la nuit que le jour. En cas d'isolation nocturne, une aération minime est maintenue pour permettre la respiration de la culture mais elle est négligée du point de vue effet thermique et évaporation. Le programme de calcul ne tient pas compte de la production d'EPS non inclus dans la récolte, ni de la disparition de spirulines par mortalité ou du fait de prédateurs (on admet pour ces deux cas qu'il y a recyclage du carbone à l'intérieur de la culture et la vitesse de photosynthèse est ajustée sur les productivités nettes mesurées). La vitesse de photosynthèse peut être ajustée sur les productivités nettes expérimentales au moyen d'un coefficient ; de même le coefficient d'absorption du CO2 est ajustable. Le programme néglige aussi: - l'influence de la vitesse de circulation de l'air interne sur l'évaporation, L'alcalinité et la dureté éventuelles de l'eau d'appoint sont négligées dans le calcul, par contre sa salinité totale est prise en compte, permettant l'utilisation d'eau saumâtre ou même d'eau de mer (traitée pour élimination de l'excès de dureté). On admet que l'eau apporte le calcium nécessaire. L'acidification ou l'alcalinisation éventuelles du milieu sous l'effet des nutriments (surtout nitrates et urée) sont négligées. Le programme néglige aussi l'effet de l'ombrage apporté par les bords du bassin par soleil non vertical. Il ne prend pas en compte l'influence de facteurs conduisant à un éventuel cycle alternant hautes et basses productivités. L'alimentation en CO2 peut se faire soit par ajout direct dans le milieu de culture de gaz CO2 (ou de sucre) pendant les heures de photosynthèse, soit par enrichissement de l'air soufflé dans la serre; un bilan-matières sur le CO2 entre l'entrée de l'air dans la serre et sa sortie permet de calculer la teneur en CO2 de cet air (supposé homogène). La température de la culture est calculée par bilan thermique entre le rayonnement solaire entrant et les diverses pertes thermiques (on néglige les pertes vers le sol - isolé par exemple par une couche de sable - et sur les côtés du réacteur). On admet que la culture et l'air interne sont homogènes en température et que l'inertie thermique de l'air est négligeable, mais on tient compte de la capacité thermique du flux d'air traversant le réacteur. On contrôle le rayonnement par l'interposition d'un ombrage isolant ayant pour effet de réduire d'un même pourcentage le rayonnement solaire incident et les pertes thermiques par rayonnement, mais n'affectant pas les échanges thermiques par convexion. En climat chaud, c'est essentiellement l'évaporation qui assure le refroidissement, mais l'ombrage aide à économiser l'eau. La photoinhibition à basse température est prise en compte par interdiction d'opérer à température inférieure à 15°C quand l'éclairement dépasse 30 Klux. Le modèle comporte un volet économique, permettant de calculer le cash flow (= prix de vente moins matières premières) généré par la marche du photobioréacteur, compte tenu d'un système de prix fournis. A30.4) Variables Les noms de variables utilisés dans le programme ont été conservés pour désigner de façon concise les variables dans les tableaux d'entrées et de sorties. Ils sont définis ci-après: DONNEES LIEES AU SITE ET A LA METEO (Dans l'option où les données météo ne sont pas calculées mais fournies, seules les variables alt, trosee et vent sont à fournir dans la liste ci-dessous, mais il convient d'introduire toutes les valeurs du rayonnement et de la température : klux(h) et temp(h), heure par heure): alt = altitude, m DONNEES ECONOMIQUES Prix en $/kg (sauf spécification contraire) pour: PARAMETRES FIXES (mais modifiables au besoin dans le programme) k = coefficient d'ajustement de la fonction photosynthèse (= 1.1) DONNEES SUR LESQUELLES JOUER POUR OPTIMISER LA MARCHE (Dans l'option où les données météo ne sont pas calculées, les variables azimd et incld sont inutiles) agit = vitesse de circulation de la culture, cm/s N.B. 1) Si la culture est isolée la nuit, les chauffages (propane et électrique) sont automatiquement coupés. N.B. 2) Au sujet de l'injection d'urée, voir injuree. A30.5) Absorption de CO2 atmosphérique Cf (Annexes techniques A7 - absorption) A30.6) Respiration La spiruline ne respire qu'en l'absence de lumière. De jour nous admettons qu'elle ne voit la lumière que dans la couche superficielle de hauteur égale au "Secchi" (cf Annexe A2: nous avons adopté la courbe correspondant à la souche Lonar avec turbidité de 12 cm) et qu'il n'y a pas respiration dans cette couche, mais qu'au-dessous il y a respiration. On admet que la respiration cesse si le contenu du bassin est isolé la nuit. Pour quantifier la respiration nous utilisons les résultats de J.F.Cornet, Annexes generales - Cornet p. 115) pour la variation avec la température, mais pour la vitesse à 20°C nous prenons une moyenne entre les indications de Cornet et celles de L. Tomaselli et al. (1987) Annexes generales - Tomaselli. Mêmes valeurs qu'en Annexe A27 (respiration). A30.7) Croissance par photosynthèse Nous admettons que la croissance de la spiruline par photosynthèse est le produit de 5 facteurs indépendants: - facteur de salinité, salef, fonction définie d'après les données de la thèse de Zarrouk (Annexes generales - Thèsezarrouk, p. 15) - facteur de température, d'après les données de Zarrouk (Thèse, Fig 19) reproduites en Annexes techniques - A1. - facteur de pH, d'après les données de Zarrouk (Thèse, Fig. 20) reproduites en Annexe A1 - facteur d'éclairement, lux, fonction basée sur les données de Zarrouk (Thèse, Fig. 3) reproduites en Annexe A1; nous avons négligé la baisse due à la photoxydation au-delà de 50 Klux. - facteur d'agitation (vitesse de circulation du milieu de culture). Ce facteur d'agitation, assez arbitraire, pourrait être affiné en cas de besoin. Nous admettons donc que la vitesse de photosynthèse ne dépend ni de la hauteur de liquide, ni de la concentration en spiruline, ni de la concentration en nutriments minéraux (autres que le bicarbonate), mais qu'elle est proportionnelle à la surface éclairée. Autrement dit, nous faisons les hypothèses, largement vérifiées dans la pratique, que la croissance est dans la phase linéaire, non limitée par les nutriments minéraux. A noter que la quantité de spiruline par m2 (hauteur de liquide x concentration) a cependant une influence sur la productivité par le biais de la respiration (cf § précédent). Nous admettons aussi que la croissance de la spiruline est uniquement autotrophe. Si une croissance mixotrophe, ou même éventuellement hétérotrophe, se produit en présence de sucre, elle sera fortement concurrencée par les organismes hétérotrophes cohabitant avec la spiruline dans le milieu (bactéries, zooplancton). L'erreur commise sur la croissance ne peut de toutes façons être que par défaut. A30.8) Données de températures et rayonnement solaire L'option calcul ne s'applique que pour un ciel sans nuage (on peut approximer un temps couvert en faisant varier l'ombrage). On admet que la température ambiante varie linéairement entre son minimum au lever du soleil et son maximum à 14 heures solaires. On calcule le rayonnement solaire absorbé par la culture comme on le fait pour un capteur solaire, à partir des équations astronomiques et thermiques classiques rappelées par exemple dans Chouard, Michel et Simon (1977) Annexes generales - Chouard. L'option où les données sont fournies permet une souplesse totale (climats anormaux, asymétrie par rapport au milieu du jour, nébulosité, transmission du rayonnement anormale à travers vitrage et couverture du réacteur, etc.). A noter que le rayonnement à fournir est celui absorbé par la culture en l'absence d'ombrage et non le rayonnement incident. A30.9) Bilan thermique Les échanges thermiques à travers le fond et les parois du réacteur sont négligés, comme déjà dit, mais on tient compte de l'énergie solaire consommée par la photosynthèse en prenant comme valeur calorifique de la spiruline 20,9 kJ/g (thèse de J.F. Cornet (1989), page 263). Les pertes thermiques par convexion vers l'atmosphère et par rayonnement vers le ciel sont calculées comme pour un capteur solaire selon les équations classiques, par exemple celles rappelées par R. Gilles (1976) Annexes generales - Gilles et Chouard, Michel et Simon (1977) Annexes generales - Chouard; on néglige l'influence de l'inclinaison éventuelle comme il est justifié d'après P.I. Cooper (1981) Annexes generales - Cooper. L'air traversant le réacteur extrait de la chaleur par chaleur sensible et en se saturant d'eau. Les ajouts (eau, nutriments) sont supposés faits à la température de la culture. A30.10) Consommation/Production d'électricité Pour le calcul de la consommation d'électricité pour l'agitation (ou le pompage en cas de culture sur plan incliné) et la ventilation, des équations très simples et plus ou moins arbitraires ont été adoptées, qui pourraient être modifiées en cas de besoin. La production d'électricité par un groupe électrogène utilisant le propane comme carburant a été adoptée comme une solution rationnelle du point de vue énergétique ("cogénération" de chaleur, d'électricité et de CO2) et permettant d'implanter le photobioréacteur même sur site non raccordé au réseau électrique; un excédent d'électricité est généralement disponible pour la vente ou d'autres usages. A30.11) Recherche d'une solution optimale La recherche pourrait être automatisée par modification du programme, mais il a paru préférable de garder le principe de la modification manuelle des données pour rechercher par approximations successives l'optimum. L'opérateur acquière ainsi un sens personnel plus approfondi de l'influence des différents facteurs. A30.12) Nota bene N.B. 1 Plusieurs critères de convergence étant utilisés simultanément, il arrive que l'indication "convergence non atteinte" conduise tout de même à un résultat satisfaisant (cf indication de l'erreur maximum). N.B. 2 La teneur en CO2 de l'air ambiant est généralement voisine de 340 vpm, mais peut varier selon les lieux, les saisons et l'heure. N.B. 3 Le calcul du cash flow est basé sur les consommations spécifiques rapportées en Annexe A27, NB3. N.B. 4 Si un message d'erreur continue d'apparaître quelles que soient les modifications effectuées dans les données, arrêter en faisant nbjours = 0 puis redémarrer. A30.12) Exemple en climat très froid Avec propane, isolation nocturne et effet de serre SIMULATION D'UNE PRODUCTION DE SPIRULINE PAR PROGRAMME FOTOBIO Reference = Climat tres froid Date du calcul : 08-21-1999 1) HYPOTHESES Donnees Generales 1. alt= 500 Prix, $/kg (sauf indication contraire) 28. bicarbonate = 1 Donnees pour calculs Meteo 41. jour = 21 Donnees Meteo calculees heure klux deg C 2 0 -.3 2) RESULTATS Nutriments, g/kg de spiruline recoltee : RECOLTE (Productivite), g/jour/m.carre = 11.65 COUT des intrants, $/kg de spiruline = 2.75 CASH FLOW, $/jour/100 m.carres = 20.10 A30.13) Exemple en climat très froid à différents débits de propane
Graphique représentant les résultats : Légende de ce graphique : On voit que le cash flow continue à croître au-delà de 6 g de propane/heure/m2, mais dans la pratique il faut limiter l'injection de carbone à 2,5 g de propane /hr/m2 sinon le pH de la culture serait inférieur à 9,6 ce qui est insuffisant pour assurer une bonne stérilisation chimique. Même à ce niveau la productivité reste bonne (12 g/jour/m2).
Le programme de calcul décrit ici est écrit en langage QBasic de Microsoft et a été compilé sous forme exécutable à partir du système d'exploitation DOS d'un ordinateur PC. Il porte le nom de PRIXSPIR et peut être appelé en cliquant sur : prixspir.exe. Pour l'utiliser, lire la notice ci-dessous. A31.1) Description Type de bassin utilisé : sous serre à armature bois, à aération naturelle, bassin construit en film plastique avec sous-couche éventuelle de protection géotextile, posé sur sable et cendre, bords en parpaings non cimentés, film fixé par liteaux et vis sur les bords. On admet que les films sont apportés sous forme de rouleaux d'une pièce pesant moins de 100 kg (pour être transportables par deux personnes sans engin mécanique), ce qui limite automatiquement la surface utile par bassin. La largeur des bassins est limitée à 4 m. ; ils ne comportent pas de chicane centrale. La durée de vie admise pour le film de serre est de 2,5 années. Lors du démarrage on ensemence avec de la spiruline vivante achetée, de manière à être en production immédiatement. Le programme propose quatre options pour la source de carbone (air, CO2, propane ou sucre) et le choix entre avec ou sans agitation électrique. L'agitation électrique est supposée faite à l'aide de pompes d'aquarium, à raison d'une pompe de 10 W par 10 m2 de bassin (ou par bassin s'il est plus petit que 10 m2). La productivité (moyenne annuelle) admise comme base du calcul doit être compatible avec la source de carbone, la purge et les consommations indiquées pour la source de carbone. Le programme donne le choix entre résultats à l'écran ou sur imprimante. Il calcule en fait deux prix de revient : spiruline fraîche et sèche. La main d'oeuvre est supposée proportionnelle à la production parce qu'il ne s'agit que d'installations artisanales, peu ou pas mécanisées. D'après notre expérience personnelle, il faut 1,5 heures/kg de spiruline au stade "fraîche", plus autant pour séchage. Cependant, pour les niveaux de production inférieurs à 1,2 kg/jour, le programme majore linéairement la main d'œuvre du stade "fraîche" pour tenir compte du petit nombre des postes de filtration travaillant simultanément, avec un maximum de 3 heures/kg. Le programme ne tient pas compte des différences de facilité de récolte selon le type d'alimentation carbonée. Les prix sont exprimés en "$". Dans les exemples ci-après ce sigle représente des U.S. $, mais n'importe quelle monnaie peut être utilisée. On utilise les mêmes formules de milieu de culture et de nourriture qu'en A.27.4 - N.B. 3, avec basicité du milieu b = 0,1 et en négligeant le coût de l'apport de fer et des oligoéléments (< 0,1 $/kg avec Ferfol). On commettrait une erreur en essayant d'utiliser ce programe pour évaluer le prix de revient de la spiruline produite dans des usines à vocation commerciale à grande échelle, mais il ne faut pas en conclure a priori que la spiruline fabriquée artisanalement soit obligatoirement non compétitive. L'influence du prix attribué à la main-d'œuvre est déterminante. D'autre part les petits producteurs sont en général à même de valoriser leur production aux prix de détail et sans frais de marketing. A31.2) Exemple de sortie d'imprimante PRIX DE REVIENT DE LA SPIRULINE ARTISANALE (Programme PRIXSPIR) Référence : au sucre, purge = 0.5%/jour, productivité = 7 g/j/m2 1)HYPOTHESES Prix (en $) 1.terrain=0.333; Paramètres techniques 40.coefficient=1.2; Largeur des bassins, mètres = 2.0 Longueur des bassins, mètres = 10.0 Nombre de bassins = 2 SURFACE TOTALE DES BASSINS = 40.0 Avec agitation électrique 2)RESULTATS PRODUCTION,kg/an = 102.2 Poids des films (serres comprises), kg = 71 PRIX DE REVIENT DE LA SPIRULINE FRAICHE, $/kg Amortissement = 6.57 PRIX DE REVIENT DU SECHAGE + CONDITIONNEMENT, $/kg Amortissement = 0.59 PRIX DE REVIENT TOTAL DE LA SPIRULINE SECHE, $/kg = 23.33 A31.3) CALCUL DE PRIX DE REVIENT DE LA SPIRULINE PAR PROGRAMME "PRIXSPIR" Dans cet exemple les paramètres sont ceux de la sortie d'imprimante de la page précédente, avec comme variables les dimensions et le nombre de bassins installés par site de production : 1. 2 bassins de 12,5 m2 (largeur 2 m) = 27,2 $ / kg A31.4) INVESTISSEMENT SPECIFIQUE CALCULE PAR PROGRAMME "PRIXSPIR" Mêmes paramètres et légende qu'à l'annexe précédente (A31.3) :
A31.5) INVESTISSEMENT SPECIFIQUE MINIMUM CALCULE PAR PROGRAMME "PRIXSPIR" Remarque préliminaire : Quand on cite un chiffre d'investissement spécifique, il est nécessaire de bien préciser plusieurs points, faute de quoi le chiffre n'a pas beaucoup de signification: - productivité maximale journalière ou moyennée sur l'année Le programme PRIXSPIR prévoit des bassins couverts, avec première charge, séchage, broyage, emballage et taxes, mais sans : bâtiments, laboratoire, clôture, traitement des effluents, mécanisation. Les exemples donnés ci-dessus prévoient l'installation en Afrique, avec un film plastique épais garanti 10 ans, sous serre. L'exemple correspondant à la sortie d'imprimante suivante utilise un film mince (garanti 3 ans) posé sur feutre géotextile, et une serre. L'investissement spécifique pour la production de spiruline fraîche, avec utilisation de CO2, ressort à 7,5 $ par kg/an, coût de la première charge compris, ce qui représente pratiquement l'investissement spécifique minimum possible pour une production de spiruline artisanale; sur la même base mais avec le matériel de séchage, broyage et conditionnement, l'investissement spécifique minimum ressort à 8,7 $ par kg/an. Rappelons que les prix utilisés incluent les taxes (20,6 % de TVA), ce qui donnerait une certaine marge de sécurité en cas d'exploitation commerciale. A31.6) Exemple de prix de revient avec investissement minimum PRIX DE REVIENT DE LA SPIRULINE ARTISANALE (Programme PRIXSPIR) Référence : investissement spécifique minimum 1)HYPOTHESES Prix (en $) 1.terrain=0.333; Paramètres techniques 40.coefficient=1.2; Largeur des bassins, mètres = 4.0 SURFACE TOTALE DES BASSINS = 400.0 Avec agitation électrique 2)RESULTATS PRODUCTION,kg/an = 1168.0 Poids des films (serres comprises), kg = 361 PRIX DE REVIENT DE LA SPIRULINE FRAICHE, $/kg Amortissement = 1.88 PRIX DE REVIENT DU SECHAGE + CONDITIONNEMENT, $/kg Amortissement = 0.41 PRIX DE REVIENT TOTAL DE LA SPIRULINE SECHE, $/kg = 14.02
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Graphique très utile pour estimer la consommation de bicarbonate quand l'apport de carbone se fait par le bicarbonate. 
Avec propane, isolation nocturne et effet de serre (mêmes données que § précédent) :