Culture de microalgues et cyanobactéries : interactions avec la source de carbone
Biofixation du CO2 par microalgues

Les micro-organismes photosynthétiques de type microalgues et cyanobactéries tendent à s’imposer dans de nombreux secteurs applicatifs. De par leur croissance photosynthétique rapide en milieu aqueux, ces micro-organismes offrent également la possibilité d’associer à leur croissance la fixation de CO₂ d’origine industrielle. Cependant, les micro-organismes photosynthétiques n’ont pas la capacité d’assimiler le carbone sous forme gazeuse (CO_2,g). Le CO_2,g doit préalablement être transféré dans la phase liquide sous forme de carbone inorganique dissous (CID) pour ensuite être assimilé et ainsi biofixé. Ceci constitue une différence majeure par rapport aux plantes supérieures, et induit de multiples conséquences qui seront décrites dans cet article.

Cela concerne en particulier la physico-chimie de dissolution du CO_2,g, étroitement liée au pH et à la physico-chimie du milieu de culture en général. Le transfert gaz-liquide dans le système de culture est également important, la faible dissolution du CO_2,g rendant difficile la mise en œuvre d’une épuration importante du CO_2,g injecté. Il en résulte un impact important sur la stratégie de mise en œuvre, mais également d’intégration industrielle. Ainsi, la biofixation du carbone, l’abattement de la phase gazeuse et la production de biomasse microalgale sont étroitement liés.

Cet article se propose de présenter les éléments essentiels impliqués dans ce procédé, ainsi que les principales conclusions de mises en œuvre pratiques qui en découlent. Dans une première partie, les principes généraux de la croissance photosynthétique et de son lien au carbone sont présentés. Les mécanismes biologiques d’assimilation et de conversion sont ainsi introduits, montrant la nécessité de maintenir des concentrations en carbone dissous suffisantes dans le milieu de culture pour éviter l’apparition de mécanismes biologiques menant à une perte de performance cinétique. Dans une deuxième partie, les différents éléments théoriques nécessaires à la compréhension et modélisation des phénomènes impliqués dans la physico-chimie de dissolution du carbone, ainsi que le transfert gaz-liquide en réacteur sont présentés. Ces éléments mettent en avant les particularités du CO₂, comme le couplage étroit de la chimie du carbone dissous au pH de culture, lui-même ayant un impact sur les réactions biologiques de croissance. Il en ressort un couplage étroit entre différentes grandeurs majeures du procédé biologique. Ceci est illustré dans une troisième partie pour différents cas, amenant à détailler les principales stratégies d’alimentation en carbone utilisées en pratique, avec leurs avantages et inconvénients respectifs selon l’objectif visé, comme optimiser la biofixation, ou l’abattement du CO₂ de la phase gazeuse. La dernière partie est finalement consacrée à l’usage industriel de tels procédés. L’impact de composés comme les métaux contenus dans les fumées, ainsi que les contraintes d’intégration aux sites d’émissions, sont discutés, avec leurs conséquences pratiques à la fois sur le procédé (intégration sur le circuit d’émissions, prétraitements des gaz) et la biomasse produite. Une revue de quelques projets menés de par le monde vient clore l’article, montrant l’intérêt croissant des microalgues pour développer des procédés de valorisation du CO₂ d’origine industrielle.