Article

1 - CULTURE DE MICROALGUES ET CYANOBACTÉRIES : INTERACTIONS AVEC LA SOURCE DE CARBONE

2 - TRANSFERT GAZ-LIQUIDE DU CO2, ÉQUILIBRES CHIMIQUES EN PHASE LIQUIDE, BILANS MATIÈRE

  • 2.1 - Équilibres entre phases et équilibres chimiques en solutions
  • 2.2 - Modélisation du transfert gaz-liquide de CO2 et des bilans matière associés

3 - OPTIMISATION DE L’APPORT DE CARBONE EN CULTURE DE MICROALGUES

4 - APPLICATION DE LA BIOFIXATION DE CO2 PAR LES MICROALGUES AUX FUMÉES INDUSTRIELLES

5 - CONCLUSION ET PERSPECTIVES

6 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : CHV7005 v1

Biofixation du CO2 par microalgues

Auteur(s) : Jérémy PRUVOST, Benjamin LEGOUIC, Jean-François CORNET, Christophe LOMBARD

Relu et validé le 30 mai 2023

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RÉSUMÉ

La croissance photosynthétique des microalgues permet de coupler leur culture à une biofixation du CO2 contenu dans des fumées industrielles. Cet article présente les phénomènes et procédés impliqués dans cette mise en œuvre. L’accent est mis sur la physico-chimie de dissolution du CO2, le lien à la croissance et les conséquences pour le couplage entre l’émission de carbone et le procédé de culture. Différentes stratégies sont présentées, ainsi que leurs impacts sur les performances en production de biomasse, biofixation de CO2 et épuration de gaz. L’ensemble est illustré par des exemples d’intégration visant à recycler et valoriser par cette voie biologique le CO2 d’origine industrielle.

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ABSTRACT

CO2 mitigation by microalgae

The photosynthetic growth of microalgae in culture can be combined with biological mitigation of CO2 contained in industrial emissions. This article presents the principles and phenomena involved in this process: the physics and chemistry of carbon dissolution, the link with growth, and the implications for optimized coupling between carbon emission and the culture system. Different carbon feed strategies are detailed, together with their impacts on performance in biomass production, CO2 mitigation and gas cleaning. Finally, various examples of integration are given, illustrating how microalgae can be used to recycle and valorize CO2 from industry.

Auteur(s)

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

  • Benjamin LEGOUIC : Docteur - Ingénieur de recherche à l’université de Nantes - ALGOSOLIS – UMS 3722 CNRS/Université de Nantes, Saint-Nazaire, France

  • Jean-François CORNET : Professeur à SIGMA Clermont - Institut Pascal – UMR CNRS 6602, Aubière, France

  • Christophe LOMBARD : Docteur - Chef de projets et ingénieur de recherche, AlgoSource Technologies, Saint-Nazaire, France

INTRODUCTION

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 (CO2,g). Le CO2,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 CO2,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 CO2,g rendant difficile la mise en œuvre d’une épuration importante du CO2,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.

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KEYWORDS

microalgae   |   CO2   |   mitigation   |   photosnthetic growth

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-chv7005


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BERG (J.M.), TYMOCZKO (J.L), STRYER (L.) -   Biochemistry :  -  New York, W H Freeman (2002).

  • (2) - ROUSTAN (M.) -   Transferts gaz-liquide dans les procédés de traitement des eaux et des effluents gazeux.  -  Edition TEC & DOC (2003).

  • (3) - PRICE (G.D), HOWITT (S.M.) -   The cyanobacterial bicarbonate transporter BicA : its physiological role and the implications of structural similarities with human SLC26 transporters.  -  Special Issue entitled CSBMCB 53rd Annual Meeting – Membrane Proteins in Health and Disease. Biochemistry and Cell Biology. 89(2):178-188 (2011).

  • (4) - BADGER (M.R), PRICE (G.D) -   CO2 concentrating mechanisms in cyanobacteria : molecular components, their diversity and evolution.  -  Journal of Experimental Botany. 54(383):609-622 (2003).

  • (5) - SPALDING (M.H.) -   Microalgal carbon-dioxide-concentrating mechanisms : Chlamydomonas inorganic carbon transporters.  -  Journal of Experimental Botany. 59(7):1463-1473 (2008).

  • ...

1 Sites Internet

Cyanotech Corporation : http://www.cyanotech.com/

Earthrise Nutritonal : http://www.earthrise.com/

Décision du 3 mai 2000 sur la définition des « métaux lourds » : http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CONSLEG:2000D0532:20020101:FR:PDF

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