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Les micro-algues, même si elles ne sont pas encore suffisamment explorées, sont

Les micro-algues, même si elles ne sont pas encore suffisamment explorées, sont actuellement consi- dérées comme une source potentielle de substan- ces bioactives dans l’industrie alimentaire et phar- maceutique. Ces substances possèdent une grande valeur sur le marché international et leur demande augmente au même rythme que le développement de la technologie industrielle, la biotechnologie et la demande internationale de nouveaux médicaments et denrées alimentaires. Le présent travail prétend donner une vision globale sur les possibilités de la biotechnologie avec des micro-algues comme une activité économique, potentiellement viable dans des territoires comme les Îles Canaries ou le Maroc. De même, cette étude ambitionne d’offrir des données expérimentales vérifiées, quant au possible développement et à la mise en service d’une usine pilote de production de micro-algues. Héctor Salvador Mendoza Guzmán Adelina de la Jara Valido Patrícia Alexandra Clemente Janeiro de Assunção Karen Freijanes Presmanes Laura Carmona Duarte Eduardo Portillo Hahnefeld Najat Elkhiati Mohammed Ramdani Developpment potentiel de nouvelles activités économiques associées à la biotechnologie aux Canaries et au Maroc Ce manuel a été élaboré dans le cadre du projetr Techmarat (http://techmarat.org/ ) Projet co-financé par le programme Poctefex (http://www.poctefex.eu/ ) Institutions partenaires du projet Techmarat: Universidad de Las Palmas de Gran Canaria (ULPGC) Facultad de Ciencias del Mar. Campus de Tafira. 35017 Las Palmas de Gran Canaria, Espagne Instituto Tecnológico de Canarias, SA (ITC) Playa de Pozo Izquierdo, s/n 35119 Santa Lucía, Espagne Université Hassan II, Faculté des Sciences Aïn Chock Km 8, Route d’El Jadida BP 5366 Casablanca CP 20100 Maroc Université Mohamed V Agdal - Institut Scientifique, Rabat Département de Zoologie & Ecologie Animale Avenue ibn Batouta, BP 703, Rabat, Maroc Centre Spécialisé de Valorisation et Technologie des Pro- duits de la Mer (C.S.V.T.P.M) Institut National de Recherche Halieutique (INRH) B.P 5221, Quartier industriel Agadir, 80004, Maroc TABLE DE MATIÈRES 1. Introduction 2. Espèces cultivées 3. Systèmes de culture 4. Produits et marchés pour les micro-algues 5. Production de β-carotène et Dunaliella salina 6. Produire des micro-algues aux Canaries 7. Produire des micro-algues au Maroc 8. Activités d'aquaculture des micro-algues 9. Usine pilote de culture de micro-algues 9.1 Recommandations d’emplacement 9.2 Sélection de ceps de culture 9.3 Procédés de culture 9.3.1 L’augmentation du volume de culture : la mise à l’échelle ou scale-up 9.3.2 Gestion de culture 9.3.3 Récolte de culture 9.3.4 Traitement de biomasse 9.4 Législation 10. Budgets 10.1 Budgets d’équipements 10.1.1 Budget de laboratoire 10.1.2 Budget de culture et de traitement 10.2 Budget de génie civil 10.3 Résumé du budget Total 10.4 Développement en échelle 11. Épilogue 12. Références bibliographiques 5 9 15 23 27 31 37 41 45 46 47 49 49 51 55 57 59 61 62 62 62 64 65 66 69 70 4 USINE PILOTE DE CULTURE DE MICRO-ALGUES 5 DOCUMENTATION TECHNIQUE ET MANUELS INTRODUCTION 1. Les micro-algues ont été, depuis les années 1950, objet d’un grand intérêt socio-économique en tant que source alternative d’alimentation et de substances bioactives. Bien que dans un premier temps elles ont été considérées comme une source de protéines (protéine unicellulaire), elles sont aussi appréciées que d’autres végétaux et beaucoup moins chères. 5 DOCUMENTATION TECHNIQUE ET MANUELS 6 USINE PILOTE DE CULTURE DE MICRO-ALGUES Les études développées tout au long de la décennie des années 80 du 20ème siècle ont démontré que la productivité et les coûts des cultures intensives de micro-algues sont loin d’être entièrement compétitifs face à l’agriculture traditionnelle. Actuellement, les micro-algues sont considérées une source potentielle, pas encore suffisamment explorée en tant que substances bioactives d’intérêt dans l’industrie alimentaire et pharmaceutique. Ces substances atteignent une grande valeur sur le marché international et leur demande augmente progressivement au même rythme que le développement de la technologie industrielle, la biotechnologie et la demande internationale de nouveaux médicaments et des composés d’alimentation. Les micro-algues constituent un groupe de microorganismes dont les emplois potentiels n’ont pas été suffisamment étudiés. On a décrit plus de 40.000 espèces de micro-algues. Néanmoins, moins de 1% ont été soumises aux travaux de « screening » pour l’identification de nouvelles substances bioactives ou potentielles applications industrielles ou agricoles. Ces végétaux unicellulaires constituent l’une des plus importantes réserves de nouveaux produits ainsi que de nouvelles applications. Cela justifie le grand intérêt qu’elles suscitent actuellement. Les premiers travaux sur l’exploitation commerciale des micro-algues datent de la décennie des années 50 du 20ème siècle. À cette époque apparaissait le premier recueil sur la culture à grande échelle de micro-algues pour la consommation humaine «Algal culture from laboratory to pilot plant» (Burlew, 1953). À partir de ce moment, les emplois potentiels attribués aux micro- algues et les perspectives recherchées deviennent de plus en plus nombreux. Les utilisations de ces organismes végétaux microscopiques ont concerné tout d’abord l’utilisation comme fourrage pour les animaux jusqu’à l’obtention d’hormones, comme les auxines et les gibbérellines, tout en passant par leur utilisation comme bio-fertilisants, ou dans le traitement des eaux résiduaires. Néanmoins, et malgré ces premiers espoirs, comme il s’agit de cultures assez techniques et relativement coûteuses, l’exploitation commerciale des micro-algues s’est vue limitée à un nombre réduit d’espèces et à des pays ayant un grand potentiel technologique. La culture de micro-algues est une activité qui n’est pas encore pleinement établie avec des niveaux de production relativement limités dans laquelle coïncident une série de facteurs : 6 USINE PILOTE DE CULTURE DE MICRO-ALGUES 7 DOCUMENTATION TECHNIQUE ET MANUELS • Dans des conditions de rayonnement lumineux élevé, les micro-algues possèdent une efficience photosynthétique faible, ainsi qu’une étroite marge de réponse aux variations de rayonnement. Ceci peut affecter avec des faibles taux de croissances et avec la difficulté d’optimiser leur culture à grande échelle. • Les cultures dans des grands étangs à ciel ouvert, même si elles sont moins chères et plus simples, sont extrêmement vulnérables à la pollution à cause des micro-prédateurs ou des algues opportunistes. Elles sont aussi extrêmement sensibles aux variations des conditions environnementales. Tout cela rend difficile le contrôle et la stabilité des cultures à grande échelle dans ce type de systèmes, tout en réduisant la quantité d’espèces cultivables : celles hautement adaptées aux conditions extrêmes de culture et qui rendent difficile la pollution provoquée par des organismes concurrents ou par des prédateurs. Tel est le cas de Dunaliella salina, qui est l’une des algues les plus halotolérantes des organismes connus, ou de la Spirulina, une cyano-procaryotes qui vit dans des habitats alcalins. • Les systèmes de cultures fermées (photobioréacteurs), même s’ils permettent d’atteindre des productions élevées, sont coûteux et compliqués. À long terme, leur efficience productive se réduit et ce à cause de la pollution ou de la perte de surface illuminée par effet des adhérences organiques, précipitations, marques ou égratignures, ainsi qu’à cause de l’existence de zones d’angles morts de turbulence faible ou de renouvellement. • Néanmoins, la culture des algues à grande échelle est déjà une activité qui a favorisé l’apparition de grandes et rentables exploitations. Celles-ci, malgré leur rentabilité, se concentrent dans la production d’un nombre limité d’espèces cultivables dans de grands étangs de culture à ciel ouvert. Certaines d’entre elles sont des exploitations semi- extensives de grands lacs salins naturels ou de salines abandonnées. 7 DOCUMENTATION TECHNIQUE ET MANUELS 8 USINE PILOTE DE CULTURE DE MICRO-ALGUES 9 DOCUMENTATION TECHNIQUE ET MANUELS Les espèces de micro-algues exploitées commercialement sont actuellement peu nombreuses. Celles-ci se bornent au nombre réduit d’espèces cultivables dans des grands systèmes de culture ouverte. Il s’agit d’espèces ayant de grands taux de croissance et très adaptées aux conditions qui limitent la croissance d’autres microorganismes. Parmi ces espèces on peut remarquer les suivantes: Espèces cultivées 2. 9 DOCUMENTATION TECHNIQUE ET MANUELS 10 USINE PILOTE DE CULTURE DE MICRO-ALGUES Chlorella a été la première espèce de micro-algue verte à être isolée et cultivée. Elle se produit, fondamentalement, dans des bassins de culture à ciel ouvert. Néanmoins, actuellement il y a de plus en plus d’exploitations de cultures dans des photo-bioréacteurs fermés, et même dans des fermenteurs de croissance hétérotrophique. À ce genre appartiennent, généralement, des espèces dulçaquicoles. Elles sont capables de maintenir des taux élevés de croissance dans des systèmes ouverts, et constituent un polluant habituel dans des cultures intensives d’autres espèces. Leurs applications fondamentales sont le développement d’aliments fonctionnels ou la diététique humaine. Néanmoins, leurs usages ont été très variés : depuis la nutrition animale jusqu’au traitement des eaux résiduaires. Le marché mondial pour cette espèce peut être estimé à environ 2.000 tonnes annuelles, essentiellement dans des pays industrialisés. Les sites web de certaines compagnies productrices de Chlorella sont : www.sunchlorellausa.com www.taiwanchlorella.com Figure 1.- Culture de haute densité de Chlorella pyrenoidosa (x200) 11 DOCUMENTATION TECHNIQUE ET MANUELS Spirulina constitue actuellement une des espèces la plus cultivée. Il s’agit d’une cyanobactérie filamenteuse capable de maintenir des taux de croissance élevés dans des milieux alcalins qui limitent la croissance d’espèces polluantes. Ceci permet l’exploitation dans des systèmes semi- extensifs dans des grands lacs où cette micro-algue pousse naturellement. L’intérêt de cultiver cette espèce repose sur ses teneurs élevés en protéines, pouvant représenter jusqu’à 60% du poids sec, et en vitamines variées. Actuellement, il s’agit de l’une des uploads/Industriel/ usine-pilote-de-culture-de-microalgues.pdf