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Article

1 - CULTURE DES MICRO-ORGANISMES PHOTOSYNTHÉTIQUES

2 - PRINCIPES DE CONCEPTION DES SYSTÈMES DE CULTURE

3 - MODÉLISATION ET OUTILS THÉORIQUES D’INGÉNIERIE

4 - TECHNOLOGIES DE PRODUCTION

5 - CONCLUSION ET PERSPECTIVES

6 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : CHV4030 v1

Culture des micro-organismes photosynthétiques
Production industrielle de microalgues et de cyanobactéries

Auteur(s) : Jérémy PRUVOST, Jean-François CORNET, François LE BORGNE, Jean JENCK

Relu et validé le 30 mai 2023

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RÉSUMÉ

Cet article traite des procédés de culture des microalgues et cyanobactéries, dont l’usage industriel est croissant dans nombre d’applications. La croissance par photosynthèse implique cependant le besoin de fournir de la lumière. L’article présentera comment cela conditionne la conception des systèmes de production. Les règles d’ingénierie propres au dimensionnement et à l’optimisation seront ainsi données. L’ensemble sera illustré par des exemples de technologies, montrant comment la diversité d’applications et des contraintes associées résulte en un panel technologique varié allant du système rustique peu performant et peu coûteux aux technologies intensifiées à très haute productivité.

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Auteur(s)

  • Jérémy PRUVOST : Professeur à l’université de Nantes GEPEA – UMR 6144 CNRS/Université de Nantes École des Mines de Nantes/ONIRIS, Saint-Nazaire, France

  • Jean-François CORNET : Professeur à SIGMA Clermont Institut Pascal – UMR CNRS 6602, Campus Universitaire des Cézeaux Bâtiment Polytech, Aubière, France

  • François LE BORGNE : Docteur Chef de Projets et Ingénieur de Recherche, AlgoSource Technologies, Saint-Nazaire, France

  • Jean JENCK : Docteur Directeur Innovation, AlgoSource Technologies, Saint-Nazaire, France

INTRODUCTION

Les micro-organismes photosynthétiques de type microalgues et cyanobactéries tendent à s’imposer dans de nombreux secteurs applicatifs. Du fait de la spécificité du métabolisme photosynthétique par rapport aux micro-organismes hétérotrophes (bactéries, levures), et d’une biodiversité importante, le potentiel d’applications est large. Les micro-organismes photosynthétiques sont ainsi utilisés pour (i) la production solaire de bioénergies (lipides pour utilisation en tant que biodiesel ou biokérosène, sucres en tant que source de bioéthanol ou biométhane, hydrogène par biophotolyse de l’eau, etc.), (ii) la production de molécules naturelles d’intérêt (pigments et polysaccharides pour la cosmétique et la nutraceutique, protéines et lipides de type oméga-3 pour l’alimentaire, synthons pour la chimie verte, etc.) ou bien encore (iii) la dépollution d’effluents gazeux (CO2 issus de fumées) ou liquides (nitrates, phosphates, métaux d’eaux usées) avec la production associée d’une biomasse végétale aux débouchés multiples.

Du fait des besoins particuliers de la croissance photosynthétique, la production industrielle de microalgues et cyanobactéries requiert cependant des technologies dédiées radicalement différentes des bioréacteurs utilisés conventionnellement dans l’industrie fermentaire. Ces photo-procédés doivent permettre la croissance photosynthétique basée sur l’assimilation, grâce à la lumière captée, de nutriments inorganiques (CO2 ou hydrogénocarbonates) et minéraux (nitrates, phosphates, etc.). Selon les contraintes et objectifs d’exploitation, le procédé de culture est à sélectionner parmi un large panel de solutions technologiques allant des systèmes ouverts extensifs (type lagunage) aux systèmes intensifiés et clos (type photobioréacteurs) et utilisant soit l’énergie solaire, soit une source artificielle de lumière.

De cette diversité technologique résulte une très grande variabilité de performances selon le niveau de contrôle et d’optimisation apporté. Ces technologies répondent cependant à un ensemble de règles particulières aujourd’hui bien éprouvées. Ces règles permettent de proposer des démarches rationnelles pour les missions d’ingénierie consistant à prévoir les performances d’une technologie donnée, à concevoir des technologies intensifiées à très fortes productivités, et à optimiser le fonctionnement d’unités données de production pour en maximiser les performances.

Cet article se propose de présenter les éléments essentiels à cette démarche d’ingénierie ainsi que les principaux concepts qui en découlent. Dans une première partie, les principes généraux de la culture de microalgues et cyanobactéries seront abordés. Les différents facteurs ayant un impact sur la croissance photosynthétique seront ainsi présentés. Cela permettra de dresser dans une deuxième partie les principes fondamentaux de conception des procédés de culture. La troisième partie introduira alors l’ensemble des éléments théoriques de base utiles à l’ingénieur pour concevoir et optimiser les procédés de culture de microalgues et cyanobactéries, avec un focus spécifique sur l’aspect lumière, facteur essentiel et spécifique à ces systèmes. L’intérêt de ces outils d’ingénierie sera en particulier illustré en donnant les gammes et limites de performances des différentes catégories rencontrées de procédés de culture. La dernière partie sera finalement consacrée à une revue des technologies existantes de culture pour les différents usages allant de l’étude en laboratoire à la production industrielle à très grande échelle. Les avantages et inconvénients intrinsèques à chaque système seront ainsi discutés afin d’illustrer la nature très particulière de ce photo-procédé qui à la fin ne peut proposer une solution unique pour la grande variété d’usages industriels visés. Cependant, l’usage approprié des notions et règles telles que décrites dans cet article permettent aujourd’hui de proposer et développer des solutions adaptées aux nombreux débouchés possibles et attendus des microalgues.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-chv4030

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1. Culture des micro-organismes photosynthétiques

1.1 Potentiel applicatif

Capables de synthétiser la plupart des éléments organiques essentiels comme les protéines, les glucides et les lipides, les microalgues et cyanobactéries présentent une biochimie très variée en comparaison d’autres micro-organismes. C’est d’ailleurs l’identification de métabolites particuliers qui a fortement encouragé la recherche, et notamment sur les molécules prisées des industries, comme les pigments, les polysaccharides ou divers composés biologiquement actifs [IN201]. La diversité taxonomique des micro-organismes photosynthétiques étant énorme, les applications possibles se sont alors révélées dans des domaines aussi variés que l’alimentation, la pharmacologie ou la cosmétologie. Le choix de souches adaptées, et leur mise en culture dans des systèmes adéquats permet et permettra de répondre à de grands enjeux de notre planète en termes de production de molécules renouvelables : agroalimentaire (source de protéines, de lipides d’intérêts type oméga-3), production propre d’énergies, dépollution d’effluents et recyclage de l’eau (fixation de nitrates, de phosphates, de CO2).

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1.2 Croissance

La dénomination « micro-organismes photosynthétiques » regroupe les organismes microscopiques dont la croissance s’effectue par photosynthèse. Cela regroupe les microalgues et les cyanobactéries (cellules végétales, globalement nommées ici « microalgues ») ainsi que certaines bactéries (règne animal). La croissance des microalgues est basée sur le même principe que celle des plantes supérieures. En milieu aqueux, la lumière leur permet de croître par absorption des minéraux nécessaires et du carbone inorganique. Les systèmes de culture nécessitent un maintien de conditions physico-chimiques adéquates (pH, température, force ionique…) et les apports suivants :

  • lumière solaire ou artificielle, dans la gamme de longueurs d’onde actives pour la photosynthèse : 0,4–0,7 µm,

  • carbone...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - TAKACHE (H.), CHRISTOPHE (G.), CORNET (J.F.), PRUVOST (J.) -   Experimental and theoretical assessment of maximum productivities for the micro-algae Chlamydomonas reinhardtii in two different geometries of photobioreactors.  -  Biotechnol. Prog., 26(2) : 431-440 (2010).

  • (2) - TAKACHE (H.), PRUVOST (J.), MAREC (H.) -   Investigation of light/dark cycles effects on the photosynthetic growth of Chlamydomonas reinhardtii in conditions representative of photobioreactor cultivation.  -  Algal Research., 8 : 192-204 (2015).

  • (3) - PRUVOST (J.), Van VOOREN (G.), COGNE (G.), LEGRAND (J.) -   Investigation of biomass and lipids production with Neochloris oleoabundans in photobioreactor.  -  Bioresour. Technol., 100 : 5988-5995 (2009).

  • (4) - PRUVOST (J.), Van VOOREN (G.), Le GOUIC (B.), COUZINET-MOSSION (A.), LEGRAND (J.) -   Systematic investigation of biomass and lipid productivity by microalgae in photobioreactors for biodiesel application.  -  Bioresour. Technol., 102 : 150-158 (2011).

  • (5) - IFRIM (G.A.), TITICA (M.), COGNE (G.), BOILLEREAUX (L.), LEGRAND (J.), CARAMAN (S.) -   Dynamic...

ANNEXES

  1. 1 Annuaire

    1 Annuaire

    Bureau d’études – Constructeurs – Fournisseurs

    AlgoSource Technologies

    http://www.algosource.com

    Plateforme de recherche et développement

    Plateforme de recherche et développement AlgoSolis

    http://www.algosolis.com

    Plateforme HelioBiotec

    http://www-heliobiotec.cea.fr/

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