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EnglishRÉSUMÉ
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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Jérémy PRUVOST : Professeur à l’université de Nantes GEPEA – UMR 6144 CNRS/Université de Nantes École des Mines de Nantes/ONIRIS, Saint-Nazaire, France
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Jean-François CORNET : Professeur à SIGMA Clermont Institut Pascal – UMR CNRS 6602, Campus Universitaire des Cézeaux Bâtiment Polytech, Aubière, France
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François LE BORGNE : Docteur Chef de Projets et Ingénieur de Recherche, AlgoSource Technologies, Saint-Nazaire, France
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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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6. Glossaire
Productivité en biomasse ; biomass productivity
Caractérise les performances en production d’un système de culture, donnant la biomasse produite sur un temps d’exploitation donné, ramené à l’unité de volume ou de surface éclairée du système de culture. La productivité est le résultat d’un ensemble important de facteurs liés à la microalgue cultivée, à la technologie de culture, et aux conditions et mode opératoire (discontinu, continu ou autre stratégie de récolte). Elle est dans tous les cas liée à la vitesse volumétrique de croissance r x qui caractérise la cinétique de croissance du micro-organisme dans le système de culture.
Fraction volumique éclairée ; volume illuminated fraction
Grandeur utilisée pour définir les différents régimes d’atténuation de lumière dans le volume de culture, ceux-ci jouant directement sur la cinétique de croissance de la microalgue cultivée dans le système de production. Elle représente le rapport entre un volume éclairé où la vitesse d’absorption de photons est suffisante pour assurer une croissance photosynthétique positive, et le volume total de culture.
Densité de flux lumineux incidente ; incident photon flux density
Caractérise la quantité de lumière reçue en surface du système de culture. Elle est exprimée par unité de temps et de surface éclairée. Chaque photon ayant sa propre énergie (E hν en joule) dépendant de sa longueur d’onde (λ), cette grandeur est exprimée soit sous forme énergétique (W.m–2) ou sous forme de flux de photons (µmolehν.m–2.s–1). Le passage de l’un à l’autre implique de considérer le spectre d’émission (pour un flux solaire type, 1 J = 4,6 µmolehν). L’expression sous forme de flux de photons reçu dans le PAR (Photosynthetically Active Radiation : 400-700 nm) est privilégiée en culture de microalgues, car le lien est direct avec la conversion photosynthétique.
Vitesse d’absorption de photons ; rate of photons absorption
Grandeur physique définissant la quantité de photons absorbée dans le système de culture. Elle est exprimée par unité de temps, soit par unité de volume de culture (vitesse volumique), soit par quantité...
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BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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(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).
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(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).
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(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).
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(5) - IFRIM (G.A.), TITICA (M.), COGNE (G.), BOILLEREAUX (L.), LEGRAND (J.), CARAMAN (S.) - Dynamic...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Valorisation industrielle des microalgues photosynthétiques.
ANNEXES
Bureau d’études – Constructeurs – Fournisseurs
AlgoSource Technologies
Plateforme de recherche et développementPlateforme de recherche et développement AlgoSolis
Plateforme HelioBiotec
http://www-heliobiotec.cea.fr/
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