valorisation des microalgues : du potentiel à la diversité des applications par fabrice franck |...
TRANSCRIPT
Prof. Fabrice Franck, ULg - Laboratoire de bioénergétique
Mardi 22 mars
Valorisation des microalgues : du potentiel à la diversité des applications.
Liege Creative, en partenariat avec :
La culture en masse de microalgues: réalités et perspectives
Laboratoire de Bioénergétique (Prof. Fabrice Franck) inBioS
• Organismes photosynthétiques de taille microscopique (cellules de quelques microns)
• Monocellulaires, parfois groupés en colonies ou multicellulaires (filaments) • Habitat le plus souvent aquatique (eau de mer et eau douce)
• Multiplication le plus souvent par voie non sexuée • Nutrition carbonée: autotrophie (CO2, lumière), parfois mixotrophie et hétérotrophie
(carbone organique: glucose, acétate, glycérol, …) • Classification courante sur base de la couleur (contenu pigmentaire): Ex: Chlorophycées
(algues vertes), Rhodophycées (algues rouges), Cyanophycées (algues bleues = cyanobactéries),…
• Croissance rapide par division cellulaire (temps de génération de quelques heures)
Prof. Cyrille Sironval Dr. Michel Brouers
Les premiers travaux sur la culture en masse dans les années ‘50 et ‘60
Cultures de Chlorelles dans des réacteurs tubulaires à Cambridge (Massachusetts), 1951
Cultures de Scenedesmus en chenal agité (Gesellshaft für Strahlen- und
Umweltforschung, Dortmund) années ‘60
Carte solaire : http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Solar_land_area.png
Principales conclusions: - Cultures phototrophes monospécifiques stables
- Rendements par unité de surface: 5-20 g.m-2.jour-1
- Effet stimulateur du CO2 - Possible utilisation d’eaux usées - Recyclage du milieu de culture
La spiruline dans la lutte contre la malnutrition
Ferme de Dogondoutchi, Niger (Fondation Antenna Technologies)
Culture mise en place en Haiti (Aquapôle/CUBIA, Liège; financement WBI)
Potentiel reconnu par les ONG locales
Productions locales adaptées au climat
Supplémentation à 5-10 g / jour efficace contre la malnutrition chronique (notamment enfants
infectés par le VIH)
Etudes cliniques concluantes
La diversité de composition biochimique et la plasticité métabolique
Plasticité métabolique et accumulation de pigments valorisables
Algae Technologies (Israel): cultures d’Haematococcus pluvialis pour la
production d’astaxanthine
stress
Les pigments des microalgues: chlorophylles, carotènes, xanthophylles, phycobilines (cyanobactéries) - Entre 1 et 5 % de la biomasse
- Antioxydants, colorants naturels, pro-vitamine A, agents anti-tumoraux, formulations diététiques, etc
Microalgues: produits et marchés
marché catégorie composant à l'étude concept proof en développement sur le
marché
alimentaire, nutraceutique pigments beta-carotene, astaxanthine, phycocyanine x
lutéine, fucoxanthine x
acides gras huiles (EPA, DHA) x
complément alimentaire biomasse brute (spiruline, chlorelle) x
probiotiques extraits bruts x
anti-cholesterol phytosterols x
pharma immuno-stimulants beta-glucanes x
agents cicatrisants polysaccharides extracellulaires x
antiviral polysaccharides sulfatés x
antitumoral Cryptophycine (Nostoc sp.) x
recherche biomédicale pigments fluorescents phycocyanine, phycoérytrhine
aliments aquacoles nourriture poissons, mollusques algues fraîches congelées x
cosmétique, parfumerie composant crème protéines, huiles x
composant parfum extraits, hydrolysats x
écran solaire x
anti microbien extraits x
matériaux additif bioplastique hydrates de carbone modifiés x
algénanes x
biofuel biodiésel huiles, biomasse x
Production mondiale de microalgues actuelle: 10000 T / an Principales espèces cultivées: Athrospira platensis (spiruline = cyanobactérie), Chlorella sp.,
Dunaliella salina, Haematococcus pluvialis Marchés principaux actuels:
- Aquaculture: 0,5 milliards € - Compléments alimentaires, nutraceutiques: 1,8 milliards €
Marchés en forte croissance (∼ 10%/an): caroténoïdes naturels, phycocyanines, acides gras polyinsaturés Nouvelles applications en développement
Les microalgues dans le traitement des eaux usées: le ‘chenal algal à haut rendement’ HRAP
Adapté de Craggs R et al. (2014) New Zealand Journal of Botany 52, 60-73.
Cuve couverte anaérobie
‘HRAP’ Chenal algal
Cuve sédimen-
tation algues
Bassins de maturation et filtration
HRAP
HRAP
Institut Agronomique et Vétérinaire
Hassan II à Rabat (Prof. B. El Hamouri)
Avantages: - Surface réduite
- Faible consommation énergétique - Réduction des boues bactériennes
- Efficacité (abattement N P, bactéries coliformes,…)
HRAP à Waikata, Nouvelle Zélande
Culture pilote en hiver (ACREES, Application Centre for Renewable
Resources, 2013, Lelystad, Pays-Bas)
Comparaison de la productivité en biomasse (kg/mois/1000 m2) en
système ouvert (raceway) à Lelystad (Pays-Bas) et à Willemstad (Curacao))
Enalgae reports (http://www.enalgae.eu/)
Cyanotech, Hawaï
Les limites à la productivité - 1. Le climat
Productivité en biomasse sèche: 40-120 T.ha-1.an-1 Productivité maximale théorique : 400 T.ha-1.an-1
Consommation de CO2 : 1,8 à 2,0 T CO2 /T biomasse sèche Consommation d’eau: ~ 600 m3 / T biomasse sèche
Prix de revient de la biomasse: variable de 1,5 € à 15 € / kg sec
-0,02
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0 500 1000 1500
Photosynthèse nette
(µmol O2.ml-1.h-1)
Irradiance (µmol photons.m-2.s-1)
zone d'efficacité maximale
saturation
photoinhibition
Grobelaar J (2010) Photosynth. Res. 106: 135-144
Rayonnement solaire
Les limites à la productivité 2. L’atténuation de la lumière et
la saturation de la photosynthèse
L’amélioration génétique des souches par mutagenèse aléatoire (Laboratoire de Génétique et Physiologie des Microalgues, Prof. Claire Remacle)
1. Mutagenèse UV
3. Tests en petits photobioréacteurs 2. Criblage fluorimétrique des mutants
Exemples: • Sélection de souches sur-productrices de lipides (projet RW BEMA) • Sélection de souches à croissance accélérée (efficacité photosynthétique accrue en
forte lumière) (projet FP7 Sunbiopath)
Cultiver les microalgues à l’obscurité ?: l’hétérotrophie
Rayonnement solaire
CO2
Déchets organiques carbonés
Culture en fermenteur
L’hétérotrophie: - Productivité volumétrie décuplée
- Densité en biomasse accrue - Consommation d’eau réduite
- Contrôle des conditions opérationnelles
Les plateformes technologiques de recherche en Europe
Exemple: ALGOSOLIS (Université de Nantes à Saint-Nazaire)
Une infrastructure complète comprenant
salles de culture et d’analyse, zones de
production sous serre thermorégulée ou en
extérieur, halle de récolte et de
bioraffinage des microalgues.
http://algosolis.com/
La plateforme technologique de recherche sur les microalgues à l’Ulg: Algae Factory. Une initiative inter-UR (i-Life / Terra) et inter-facultaire.
Production phototrophe
Production hétérotrophe
Concentration et séchage
Productions pilotes: Algae factory Laboratoires recherche ULg
Extraction Formulation
Sciences de la Vie - Criblage de molécules - Sélection de souches
- Optimisation métabolique
- Amélioration (mutagenèse)
Sciences de l’ingénieur et Chimie
- Procédés de concentration
- Bioingénierie - Chimie analytique
- Chimie des matériaux
Portefeuille de projets FEDER ‘Algae Factory’ (1.900.000 €) Ulg, UNamur, UMons