Microalgues : biologie et moyens de culture – systeme experimental

De nos jours, les problèmes environnementaux et énergétiques amènent à réfléchir à de nouvelles sources autres que les sources fossiles pour la production d’énergie. La biomasse, et plus particulièrement les microalgues, sont regardées avec intérêts pour leur capacité à produire de l’énergie (biocarburant) et à fixer le dioxyde de carbone (Razzak et al., 2013). Elles ont eu un récent gain d’intérêt par rapport aux autres biomasses du fait de la productivité de leur photosynthèse comparée aux cultures terrestres, de leur très gros potentiel pour la production de biodiesel (Zijffers et al., 2010) et de leurs nombreuses applications. Les microalgues pourraient donc être une partie de la solution aux problèmes énergétiques et environnementaux actuels.

Les microalgues ont des applications agronomiques comme la nutrition animale (aquaculture principalement (Loubière et al., 2009)) et l’alimentation humaine par le biais des compléments alimentaires. La production de microalgues pour ces applications existe déjà à grande échelle depuis plusieurs décennies en Asie (Spolaore et al., 2006). De plus, les microalgues peuvent être considérées comme des usines cellulaires car elles produisent de nombreuses molécules à fortes valeurs ajoutées comme les omégas 3, des polysaccharides, des antioxydants et des molécules bioactives (anticancéreuse par exemple). La microalgue Dunaliella salina est produite commercialement (en Australie, Israël et Usa) pour son bétacarotène et est la troisième industrie majeure des microalgues (Spolaore et al., 2006). Les microalgues peuvent être aussi génétiquement modifiées pour produire par exemple des molécules à intérêt médical ou pour augmenter l’efficacité de la photosynthèse, augmenter la quantité d’huile dans la biomasse, améliorer la tolérance à la température… pour des meilleures performances lors des cultures (Zeng et al., 2011 et Chisti, 2007). De nouvelles applications, notamment énergétiques, avec la production de biocarburants tels que le biodiesel, le biohydrogène, commencent à être regardées pour une production à une grande échelle. Les microalgues peuvent aussi traiter les eaux usées en utilisant les nutriments et oligoéléments présents abondamment dans celles-ci. Les microalgues sont aussi capables de capter les métaux lourds (Becker, 1994 ; Razzak et al, 2013). Les microalgues ont également un fort potentiel à diminuer l’accumulation de dioxyde de carbone dans l’atmosphère (Degen et al., 2001 ; Zhang et al., 1999) et pourraient le capter à partir de fumées industrielles (Concas et al, 2012, Hadj-Romhane et al., 2012, Suali et Sarbatky, 2012). Plusieurs auteurs (Christenson et Sims, 2011 et Cadoret et Bernard, 2008) ont estimé que la production de biocarburant à partir de la biomasse algale ne serait viable que si la production d’algue est couplée : soit avec un traitement d’eaux usées ou avec la production de composés à hautes valeurs ajoutées et avec l’utilisation d’un maximum d’énergie solaire (Cadoret et Bernard, 2008). De nos jours, d’après Brennan et Owende, 2010, le développement pour une commercialisation viable n’est pas au point, plusieurs challenges restent à résoudre comme la sélection des espèces : équilibre entre biocarburant produit et co-produits ou croissance sur eaux usées, atteindre une haute efficacité photosynthétique ainsi que de nombreux problèmes techniques liés au moyen de production (perte CO2, évaporation de l’eau…) ainsi que des problèmes d’ordre économique (grand coût de la culture, de la récolte des microalgues et de l’extraction des lipides) (Concas et al., 2012).

Biologie des microalgues

Biologie

Les microalgues sont des êtres unicellulaires eucaryotes, c’est à dire comportant un noyau. Elles sont de formes et de tailles variées, allant de quelques micromètres à plusieurs dizaines de micromètres (Cadoret et Bernard, 2008). Présentes dans tous les milieux (salins, eaux douces, milieu aride…), les microalgues représentent la majorité du plancton marin et produisent l’essentiel de l’oxygène atmosphérique (Berberoglu et al., 2009). Le nombre d’espèces est estimé de 200 000 à 1 000 000, ce qui représente un grand potentiel et une grande diversité par rapport aux 250 000 espèces végétales recensées (Cadoret et Bernard, 2008 ; Pulz et Gross, 2004). Sur ce grand nombre d’espèces de microalgues estimées, environ 10 000 espèces sont connues et, malgré un intérêt croissant des industriels depuis la moitié du 20ème siècle, seulement quelques dizaines de microalgues sont cultivées à une échelle industrielle (Degen et al., 2001 ; Spolaore et al., 2006). La majorité des microalgues croissent à une température de 25-35°C avec un pH neutre (Zeng et al., 2011). Les microalgues sont classées par famille selon des caractéristiques communes :

• Diatomées ou bacillariophycées : c’est le groupe le plus important d’eucaryotes photosynthétiques car ils sont les principaux fixateurs de CO2 en milieu aquatique. Il existe 265 genres de diatomées et près de 10 000 espèces qui sont réparties à 50 % en eau douce et 50 % en eau de mer. Les diatomées représentent 80 % de la biomasse (plancton marin) consommée par les poissons. Elles sont responsables de 20 % de la production carbonée océanique (Cadoret et Bernard, 2008). Elles ont la particularité d’être entourées d’une coque de silice appelée frustule.
• Algues vertes ou chlorophycées : très répandues, elles sont riches en un pigment vert qui leur donne leur couleur : la chlorophylle.
• Algues brunes ou chromophycées.
• Algues rouges ou rhodophycées : ces algues contiennent un pigment rouge : la phycoérythrine. Elles sont trouvées à la fois en eaux douces et marines.
• Cyanobactéries : Les cyanobactéries ne sont pas à proprement parler des microalgues car ce sont des procaryotes (absence de noyau) photosynthétiques mais elles sont souvent classées comme telles et parfois appelées algues bleu-vert.

Les microalgues sont des microorganismes. Comme l’ensemble des microorganismes, les microalgues ont une courbe de croissance divisée en quatre temps (Figure I-1). Cette courbe est caractéristique de la croissance des microalgues en milieu non renouvelé, c’est-àdire en milieu naturel ou en mode de culture batch.

Les microalgues sont des organismes photoautotrophes, c’est dire que leur source d’énergie est la lumière et que leur source de carbone est un carbone inorganique comme le dioxyde de carbone. Cependant certaines microalgues sont capables de se développer sans lumière, elles sont dites hétérotrophes. Leur source de carbone peut être différents composés organiques comme le glucose (Cadoret et Bernard, 2008). Certaines algues peuvent se développer en combinant les deux modes, ce sont des organismes mixotrophes.

Photosynthèse 

Principe
Les microalgues sont des eucaryotes autotrophes, c’est à dire qu’elles transforment le dioxyde de carbone inorganique (ou minéral), comme celui présent dans l’air, en matière organique. Cette transformation s’effectue grâce à l’énergie lumineuse par un processus unique de conversion de l’énergie solaire : la photosynthèse (Masojidek et al., 2004). Les microalgues ont un rendement photosynthétique élevé (rapport de l’énergie lumineuse incidente sur l’énergie stockée dans les microalgues) (Cadoret et Bernard, 2008).

Besoins des microalgues – Facteurs influents sur la croissance des microalgues 

Pour croître, les microalgues ont de nombreux besoins, les facteurs physiques les plus importants sont une source d’énergie, généralement la lumière et une température optimale. Et les facteurs chimiques sont la concentration disponible en dioxyde de carbone et un apport en macronutriment et en oligo-éléments (Burlew, 1953). La croissance algale est affectée par plusieurs paramètres comme le mélange et la concentration en oxygène.

Lumière
La lumière est le facteur le plus important pour la croissance photosynthétique des algues. Elle a un effet sur la composition cellulaire des microalgues (photoadaptation ou photoacclimatation) (Hu, 2004). L’énergie radiative ne s’accumule pas, c’est pour cela que la lumière doit être fournie en permanence et doit être considérée comme un substrat (Grima et al, 1996 ; et Miron et al., 2000).

A de faibles intensités lumineuses, le taux de photosynthèse (ou activité photosynthétique) dépend linéairement de l’intensité lumineuse mais avec l’augmentation de l’intensité lumineuse, l’activité de la photosynthèse augmente jusqu’à atteindre un plateau, ce phénomène est la photolimitation. Sous de plus fortes intensités lumineuses, l’activité de la photosynthèse diminue, ce phénomène est appelé la photoinhibition (Figure I-9). Par contre, lors de culture à de grandes concentrations cellulaire, la zone « photoinhibée » est très proche de la zone noire, il est impossible de savoir quelles cellules sont photoinhibées et quelles cellules sont photolimitées (Grima et al., 1996). Un bon mélange de la culture permet dans ce cas de réduire le nombre de cellules photoinhibées et photolimitées.

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Table des matières

Sommaire
REMERCIEMENTS
NOMENCLATURE
SOMMAIRE
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I. MICROALGUES : BIOLOGIE ET MOYENS DE CULTURE – SYSTEME EXPERIMENTAL
1. BIOLOGIE DES MICROALGUES
1.1. Biologie
1.2. Photosynthèse
1.3. Besoins des microalgues – Facteurs influents sur la croissance des microalgues
1.4. Conclusion
2. SYSTEME DE CULTURES DES MICROALGUES
2.1. Systèmes ouverts
2.2. Systèmes fermés
2.3. Comparaisons des systèmes de production
3. PRINCIPE, CONCEPT ET PILOTE EXPERIMENTAL
3.1. Photobioréacteur expérimental
3.2. Matériel
4. CONCLUSION DU CHAPITRE
CHAPITRE II. CARACTERISATION ET MODELISATION DU PHOTOBIOREACTEUR – HYDRODYNAMIQUE, TRANSFERTS DE MASSE ET TRANSFERTS DE CHALEUR
1. MODELISATION HYDRODYNAMIQUE
1.1. Modélisation mathématique
1.2. Caractérisation expérimentale du photobioréacteur et paramétrage du modèle hydrodynamique
1.3. Validation du modèle : Comparaison des résultats de la modélisation et des données expérimentales
1.4. Conclusion
2. MODELISATION DES TRANSFERTS DE MASSE
2.1. Modélisation du transfert de masse dans le photobioréacteur en système air/eau
2.2. Conclusion
3. MODELISATION THERMIQUE
3.1. Généralités
3.2. Modélisation des échanges thermiques
3.3. Validation expérimentale du modèle
3.4. Conclusion
4. CONCLUSION DU CHAPITRE
CHAPITRE III. MODELISATION DU SYSTEME DE CULTURE ET VALIDATION EXPERIMENTALE
1. MODELISATION DU PHOTOBIOREACTEUR EN CULTURE D’ALGUES
1.1. Modèle de croissance
1.2. Modélisation de la distribution de la lumière dans le photobioréacteur
1.3. Modélisation de la croissance couplée aux limitations dues à la lumière
1.4. Modélisation des phénomènes de transferts de masse lors de la culture d’algues
1.5. Introduction de la limitation par le carbone
1.6. Conclusion
2. VALIDATION EXPERIMENTALE DU MODELE GLOBAL
2.1. Microalgue de culture et protocole expérimental
2.2. Résultats expérimentaux et paramétrage du modèle global
2.3. Validation du modèle global
2.4. Conclusion
3. CONCLUSION DU CHAPITRE
CHAPITRE IV. ETUDE D’INTEGRATION D’UN SYSTEME DE CULTURE D’ALGUES EN FAÇADE DE BATIMENTS
1. POSITIONNEMENT DU PROBLEME ET MODELISATION
1.1. Modification du modèle thermique
1.2. Modélisation du double vitrage
2. ETUDE DE SENSIBILITE
2.1. Photobioréacteur sans contrôle de température
2.2. Photobioréacteur avec contrôle de température
2.3. Double vitrage avec contrôle de température
2.4. Conclusion
3. OPTIMISATION ENERGETIQUE – ETUDE DE TROIS CAS
3.1. Résultats de l’optimisation
3.2. Discussion
4. CONCLUSION DU CHAPITRE
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES

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