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• Biologie des microalgues • Systèmes de culture • Applications Pr. Imane Wahby

• Biologie des microalgues • Systèmes de culture • Applications Pr. Imane Wahby Laboratoire de Botanique, Mycologie & Environnement Département de Biologie Cours de Biotechnologie des microalgues Master Biotechnologie Végétale 2016‐2017 Définitions La biotechnologie ? Fusion entre la biologie et la technologie. Ensemble de méthodes et procédés qui utilisent des agents biologiques pour produire des biens ou des services. Santé Agriculture Agroalimentaire Environnement Energie Les algues? Ensemble d’organismes préférentiellement vivant dans les milieux aquatiques. Rassemblent: * Les macroalgues benthiques (fixées sur un support) & * Des organismes microscopiques pélagiques (en eau libre, du fond à la surface): les microalgues ou phytoplancton. Définitions Phytoplancton  phyton =plante : plancton végétal Ensemble d´organismes végétaux vivant en suspension dans l’eau Premier maillon de la chaîne alimentaire. Définitions Les microalgues? Algues microscopiques algae =forment un grand groupe de végétaux Organismes unicellulaires indifférenciés Photosynthètiques dans la plupart des cas Plusieurs millions d´espèces Définitions Classification des microalgues Dunaliella Volvocales Dunaliellaceae Chlorophta Chlorophyceae Dunaliella salina • Environ 6 000 espèces de microalgues sont identifiées dans le milieu marin, • Plus de 14 000 en eaux douces Classification des microalgues En fonction de la couleur (jusqu´á 1970): Algues rouges Rhodophyta Algues brun doré Chromophyta Algues vertes Chlorophyta Algues bleues Cyanophyta (Procaryotes) R.salina C. reinhardtii Mallomonas sp Anabaena sp En fonction de: Cytologie, Caractères morphologiques, Caractères biochimiques (Pigments, molécules de réserve). Embranchement, règne Type de microalgues Nom commun Nombre d'espéces Représentants Pigments Réserves Habitat Chlorophytes Eucaryote Algues vertes 7500 Chlorella, Scenedesmus chloro a;b,xantophylles, Carotènes sucres, amidon, fructane Eau douce, saumâtre, salée Chrysophytes Eucaryote Algues brun‐jaune, vert‐jaune et diatomées 6000 dinobryon, Surtrella chloro a;C1;C2, xantophylles, carotènes, fucoxanthine inarine, huiles Eau douce, saumâtre, salée Pyrrhophytes Eucaryote Dinoflagellés, dinophytes 1100 Gymnodinium, Ceratium, Alexandrium Chloro a;C1;C2, carotènes, fucoxanthine amidon,glycanes ,huiles Eau douce, saumâtre, salée Cyanophytes Procaryote Cyanobactéries, algues bleues inconnu Anabaena, Nostoc, Microcystis chloro a, allophycocyanines, phycoérythrocyanine inconnu Eau douce, salée Biologie des microalgues Peuvent être libres ou en colonie Taille (<1µ‐500 µm) Botryococcus braunii Scenedesmus sp Dunaliella salina 10 µm x 8 µm Arthrospira platensis 250-500 µm x 6-11 µm Skeletonema sp 10 µm Chlorella vulgaris 5-10 µm Phaeodactylum tricornutum 18-26 µm x 2-3 µm Biologie des microalgues Procaryotes ou eucaryotes Algue verte Cyanobactérie Thylakoïdes (siège de la photosynthèse) Chloroplaste Thylakoïde Mitochondrie (production d´ATP) Biologie des microalgues Milieux de vie Milieux aquatiques (eau douce, saline ou saumâtre) Milieux terrestres humides Roches humides, troncs d´arbres Blooms=prolifération rapide & massive de microalgues suite á des conditions physiques, météorologiques, hydrologiques et environnementales favorables. Conditions normales Conditions favorables Bloom de D. salina dans la forêt de Aigue‐Mortes, Sud de la France Bloom de Chlorella en Bretagne, France Bloom de microalgues brunes Skeletonema sp et Thalassiosira sp, en Morbihan, France Biologie des microalgues Les microalgues photosynthetiques Transformation de l´énergie minérale en matière organique= autotrophie Exploitation des microalgues Culture Traitement Produit Isolement Isolement Culture Traitement Produit Obtenir des cultures monospécifiques Milieu naturel: échantillon d´eau (qq ml) Techniques d´isolement Culture monoalgale • Sur milieu liquide (microalgues de grande taille ou en chaîne) • Sur milieu solide • Isolement par dilution Culture monoalgale Inoculum (cultures mères) Obtenir des cultures monospécifiques Isolement Culture Traitement Produit Isolement Culture Traitement Produit Lumière CO2 H2O Nutriments: N,P, K, microéléments, vitamines (silice pour les diatomées) • Naturelle • Artificielle • Atmosphérique • Industriel • Naturel • Reconstitué • Concentrations naturelles insuffisantes • Apport de formules ou fertilisants Systèmes de culture massive Microalgue Biomasse Les systèmes de production 4 modes de production Lumière naturelle Lumière Artificielle Système ouvert Système fermé Photobioréacteur en extérieur N´existe pas Photobioréacteur en intérieur Bassins en extérieur Photobioréacteur en hétérotrophie Isolement Culture Traitement Produit Isolement Culture Traitement Produit Les systèmes ouverts • Bassins peu profonds (0.3 ‐0.5 m) • Etends naturels, systèmes raceway, etc. • Circulation du milieu á l´aide d´une agitation mécanique • Lumière naturelle: exclusif pour l´autotrophie • Les plus utilisés Récolte Nutriments Profondeur: 0,03 m Fosse d´injection de CO2 Unité industrielle Ensemencement Récolte Isolement Culture Traitement Produit Les systèmes fermés • Photobioréacteurs • Contrôle rigoureu des paramètres de culture (lumière, CO2, nutriments) • Circulation du milieu de culture généralement par mouvement d´air comprimé • Lumière naturelle ou artificielle Isolement Culture Traitement Produit Isolement Culture Traitement Produit Les PBR plats • Analogie aux panneau photovoltaïques • Agencement de deux panneaux parallèles de forme rectangulaire entre lesquels circule une mince couche de culture d’une épaisseur de quelques centimètres (1 à 10 cm), • Orientables, avec une inclinaison ajustable, • Ratio surface sur volume important, • Bonne qualité de transfert gazeux = fort rendement photosynthétique Les PBR tubulaires • Structure en tubes transparents (verre ou matière plastique) dressés en réseau, • Organisation horizontale, verticale, inclinée, conique et serpentine, • Circulation en boucle: passage alternativement dans la tubulure transparente (captage de lumière) et dans une tour de dégazage (désoxygénation) pour éviter une inhibition de la photosynthèse. Les PBR cylindriques • Colonnes à bulles avec: zone ascendante d’aération et zone descendante sur le principe airlift. • Placés verticalement ou inclinés, taille moyenne: 20 cm de largeur et 2 m de hauteur avec une injection de gaz en bas de colonne. • Faible ratio surface sur volume: faible surface photosynthétique (un mixage efficace est nécessaire pour optimiser les cycles entre zones éclairées et zones d’ombres) • Avantage: Concept simple et transferts thermiques et massiques satisfaisants. Air Quel système choisir, ouvert ou fermé? Avantages Inconvénients Systèmes ouverts • Faible coût d´installation • Entretien facile • Risque de contamination élevé • Utilisé en conditions extremophiles • Productivité faible • Évaporation Systèmes fermés • Contrôle des paramètres de culture • Productivité élevée • Investissement élevé • Entretien difficile (stérilisation, nettoyage, etc.) • Photo‐inhibition Quel système choisir, ouvert ou fermé? En fonction de la souche (propriétés biologiques) En fonction de l´application En fonction du climat Isolement Culture Traitement Produit Récolte Séchage Selon: • La souche • L´application • Le produit ciblé Applications des microalgues Analyse simplifiée d´une microalgue Chloroplaste mitochondrie Moteur 1 Moteur 2 Technologie Jusqu´á 70% de son poids en molécules d´intérêt Enveloppe organique Flagelle Applications des microalgues Alimentation humaine et animale Enérgie (biocarburants) Pharmaceutique Cosmétique Compléments alimentaires Protéines: jusqu’à 70% Lipides: jusqu’à 50% Vitamines Minéraux (Fer, Sélénium, Cu…) Polysaccharides Les microalgues pour l´énergie Alternative aux carburants traditionnels et aux dérivés chimiques biosourcés Plusieurs types de biocarburants: Biocarburants lipidiques Bioethanol Biohydrogen Biogaz Source: Recorded future 2014 Les microalgues pour l´énergie Principe • Des souches riches en lipides • Extraction des lipides et transformation en biodiesel via transerterification • Comment? * Les microalgues accumulent des lipides neutres (triglycerides=lipides de réserve) * Les TAGs sont extraits de la cellule et agissent avec un alchol en présence d´une base pour donner des acides gras méthyle ester (biodiesel) Etapes du procédé 1. Choix des souches riches en lipides 2. Choix du milieu et système de culture 3. Production et récolte de la biomasse 4. Extraction des lipides 5. Transformation des lipides en biodisel L´application Énergie: biodiesel L´application Énergie: biodiesel Chaine de production: de la microalgue au biodiesel Souches Microalgues=photosynthèse=lipides +transertérification=biodiesel • Connaissances préalables • Non toxique • Croissance rapide (taux de croissance) • Quantité • Qualité • Facilité d´extraction • Efficacité photosynthètique • Rendement de la trans • Qualité du biodiesel Clef de réussite: bonne sélection des souches Critère 1: Croissance • Suivi de la croissance: suivi de la DO, comptage des cellules • 4 Phases (Bach): phase de latence, démarrage, exponentielle, stationnaire, et déclin Culture autotrophe de Nannochlorosis sp. dans un réacteur 10L. Das et al. 2011 L´application Énergie: biodiesel I. Sélection des souches Meilleure croissance=plus de biomasse Productivité surfacique  Rendement/surface de culture  Exprimée en g/m2/j  Valable pour les systèmes ouverts Productivité volumétrique  Rendement/volume de culture  Exprimée en g/m3/j  Valable pour tout les systèmes L´application Énergie: biodiesel Brennan et Owende 2010 Critère 2: Lipides * Courbe d´accumulation des lipides • Deux types de lipides: réserves et de structure • Biodiesel: lipides neutres ou de réserve (TAG) L´application Énergie: biodiesel Culture autotrophe de Nannochlorosis sp. dans un réacteur 10L. Das et al. 2011 Critère 2: Lipides Contenu lipidique de certaines microalgues (% poids sec) Botryococcus braunii 25–75 Chlorella sp. 28–32 Crypthecodinium cohnii 20 Cylindrotheca sp. 16–37 Dunaliella primolecta 23 Isochrysis sp. 25–33 Monallanthus salina 20 Nannochloris sp. 20–35 Nannochloropsis sp. 31–68 Neochloris oleoabundans 35–54 Nitzschia sp. 45–47 Phaeodactylum tricornutum 20–30 Schizochytrium sp. 50–77 Tetraselmis sueica 15–23 Contenu lipidique de certaines microalgues (% poids sec), Chisti 2007 L´application Énergie: biodiesel Critère 2: Lipides L´application Énergie: biodiesel Pourquoi les microalgues produisent des lipides? Dans la plupart des organismes, les triacylglycérols constituent la principale forme de réserve en lipides Ils sont formés de trois acides gras estérifiés à une molécule de glycérol Ce sont les constituants majeurs des huiles végétales Dans une cellule, c’est la forme de stockage d’énergie et de matière carbonée la plus compacte 3 chaînes d´acides gras Glycerol Critère 2: Lipides Réserve Face à un stress Cellules de la microalgue marine Chrysochromulina sp. L´application Énergie: biodiesel Critère 2: Lipides Comment analyser ces lipides? Analyse quantitative: Culture Récolte biomasse Centrifugation, floculation, … Extraction des lipides Gravimétrie (g/g de biomasse) L´application Énergie: biodiesel Critère 2: Lipides Analyse qualitative uploads/Science et Technologie/ cours-de-biotechnologie-des-microalgues.pdf