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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

Conclusion et perspectives
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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5. Conclusion et perspectives

La production industrielle de biomasse microalgale répond à des contraintes propres menant à des systèmes de culture spécifiques. Contrairement aux bioréacteurs conventionnels utilisés pour les levures ou bactéries, où la technologie de fermenteur s’est imposée, la culture de micro-organismes photosynthétiques est réalisée dans un panel technologique diversifié, sans qu’un système ne puisse être privilégié. Ceci s’explique en grande partie par le besoin d’un apport optimisé de lumière qui s’impose comme une contrainte majeure de conception, et mène à plusieurs solutions possibles d’exploitation (solaire, source artificielle).

Le choix sera fortement orienté par les contraintes et objectifs d’exploitation. L’échelle de production est ainsi un premier point clé, la culture microalgale amenant par principe à des besoins de surface éclairée. Un objectif de production de plusieurs tonnes à dizaines de tonnes à l’année amènera ainsi à privilégier l’exploitation en solaire, sachant que des installations pouvant aller à plusieurs centaines d’hectares existent aujourd’hui de par le monde. Actuellement, une grande partie de la production mondiale de biomasse microalgale est ainsi produite, dans des bassins de culture extensive ayant des surfaces individuelles supérieures à 1 000 m2. À l’inverse, pour un besoin modéré de production (< 1 tonne par an), la culture en lumière artificielle sera pertinente car elle permettra de s’affranchir des contraintes d’une production solaire (contrôle précis de l’éclairement, et donc de la production).

Bien qu’ils soient les plus répandus pour des raisons de coût et de facilité de construction, les systèmes ouverts souffrent toutefois de limitations sévères, inhérentes à leur principe même, et donc difficiles, voire impossibles, à contourner (risque élevé de contaminations, manque de contrôle des conditions de culture, limitation par la source de carbone). Finalement, même pour les systèmes les plus sophistiqués comme les raceways, le nombre de souches cultivables reste faible (souches résistantes à la contamination, voire extrêmophiles), les concentrations restent faibles et les productivités limitées. Malgré une utilisation largement répandue, une maturité technologique semble acquise avec des limites de productivités qui semblent aujourd’hui atteintes (même s’il...

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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...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

  • Valorisation industrielle des microalgues photosynthétiques.

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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