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Les microalgues
Les organismes photosynthétiques suscitent un intérêt grandissant, en raison de leurs propriétés biologiques et métaboliques intéressantes. Le terme « microalgues » s’est progressivement imposé dans les mondes scientifique et industriel. En effet, depuis quelques années, la biotechnologie microalgale est devenue un thème de recherche privilégié permettant d’explorer et d’exploiter l’énorme potentiel de ces microorganismes intervenant au sein de nombreux systèmes et dans de multiples secteurs industriels comme les domaines énergétique, pharmaceutique, alimentaire et plus récemment environnemental.
Le premier chapitre de ce mémoire comporte une initiation, à travers une analyse bibliographique, à la notion de microalgues et aux différentes caractéristiques de ces microorganismes photosynthétiques. Une seconde partie présente les applications industrielles et commerciales de ces microorganismes. En dernier lieu, les objectifs de ce travail sont mis en perspective en liaison avec l’application environnementale des microalgues.
Définition et origine des microalgues
Les algues sont des organismes photosynthétiques qui se développent dans des habitats variés, majoritairement des environnements aquatiques, et qui sont capables de convertir l’énergie lumineuse et une source de carbone, le dioxyde de carbone ou « CO2 », en un ensemble de matières organiques ou « biomasse ». On distingue deux catégories principales d’algues : les « macroalgues » et les « microalgues ».
Les macroalgues sont des algues multicellulaires de taille proche du centimètre et qui croissent le plus souvent dans des bassins naturels d’eau douce ou d’eau salée. (Wen et Johnson, 2009). Ces organismes sont nécessaires aux écosystèmes côtiers en termes de composition, fonction et productivité (Taylor, 1957; Taylor, 1960; Littler et Littler, 2000; Dawes et Mathiesen, 2008). On distingue principalement trois groupes de macroalgues différenciés selon leur pigmentation : rouge, verte et marron.
Les microalgues ont une taille de l’ordre du micromètre et sont considérées comme des algues unicellulaires qui se développent en suspension principalement dans des solutions aqueuses (Wen et Johnson, 2009).
Ces microorganismes photosynthétiques sont considérés comme les premiers producteurs d’oxygène indispensable à la respiration de la majorité des êtres vivants. Leur existence remonte dans les océans à plus de trois milliards d’années ; ils sont à l’origine de la transformation de la composition atmosphérique (fixation de CO2 et rejet de O2) et ont permis la vie végétale et animale sur notre planète. Souvent désignées sous la dénomination de « Phytoplancton » (Sumi, 2009), les microalgues représentent une source d’alimentation pour les premières étapes larvaires (Coutteau et al., 1997) comme pour les êtres humains de par leur composition biochimique adaptée (Yúfera et Lubián, 1990; Brown et al, 1997).
La première culture unialgale a été réalisée par Beijerinck (1890) avec l’espèce Chlorella vulgaris. Ces micro-usines photosynthétiques présentent des caractéristiques similaires aux plantes terrestres, mais leur structure morphologique, permettant une meilleure accessibilité de l’eau, du dioxyde de carbone et des autres nutriments, leur permet d’avoir une efficacité photosynthétique supérieure (Carlsson et al., 2007). La photosynthèse se fait par le biais de la chlorophylle a, principalement, ainsi que d’autres pigments photosynthétiques.
Leurs capacités d’adaptation et de survie sont telles qu’elles sont aptes à coloniser tous types de milieux. On les trouve aussi bien dans les eaux thermales que dans les glaces, dans les eaux acides ou encore hyper salées, dans les grottes, associées sous forme de symbioses avec tout type d’organisme vivant et même parasites, entre autres de l’homme. Elles sont également capables de se développer sur des surfaces rigides, telles que les murs ou les troncs d’arbres et même sur les structures immergées (Becerra Celis, 2009). Certaines espèces peuvent supporter des températures très faibles ou paradoxalement extrêmes (Couté, 1995). Cette faculté d’adaptation est le résultat de leurs propriétés morphologiques ainsi que de leur capacité de synthèse de différentes variétés de métabolites secondaires (Becerra Celis, 2009).
Caractéristiques
Ces microorganismes synthétisent, par le bais de la photosynthèse, de l’oxygène et des métabolites organiques primaires tels que les glucides, les lipides et les protéines. Du point de vue structure cellulaire, la microalgue présente un noyau et une membrane plasmique contenant des organites essentiels à son fonctionnement tels que les chloroplastes, les amyloplastes, les oléoplastes et les mitochondries. Elle contient trois principaux types de pigments qui sont les chlorophylles, les caroténoïdes et les phicobiliprotéines.
Les microalgues présentent des formes variables : souvent sphériques (porphyridium), en forme de croissant (clostridium), de spirale (Arthrospira), de gouttelette (chlamydomonas) et même d’étoile (Staurastrum) (cf. figure 1.1).
A : Gephyrocapsa E : Dunaliella tertiolecta J : Bacillariophycea
B : Haematococcus lacustris F : Chaetoceros calcitrans K : Raphidophceae
C : Spirulina platensis H : Dinophysis acuminate L : Botryococcus
D : Chlorella vulgaris I : Alexandrium
La longueur du trait dans chaque figure est égale à 10µm.
Du point de vue nutrition, les microalgues sont majoritairement « photoautotrophes » mais elles peuvent être également « hétérotrophes » ou « mixotrophes ». Un métabolisme autotrophe se traduit par l’utilisation d’une source de carbone inorganique comme le dioxyde de carbone ou le bicarbonate tandis que le métabolisme hétérotrophe est caractérisé par une consommation de carbone organique comme source de carbone pour leur développement; les mixotrophes utilisent les deux types de source de carbone.
Classification
Ces microorganismes sont classés selon leurs propriétés morphologiques (Fogg, 1953), la nature de leur cycle de vie, la nature chimique des produits photosynthétiques de réserve (produit d’accumulation intracellulaire), l’organisation de leurs membranes photosynthétiques (Carlsson et al., 2007) ou leur pigmentation. On dénombre plus de 30 000 espèces différentes de microalgues ; seulement cinquante d’entre elles sont étudiées de manière détaillée dans les laboratoires de recherche et une dizaine d’espèces sont exploitées au niveau industriel et commercial. On distingue principalement deux grands groupes de microalgues.
Les procaryotes : Ce sont des organismes unicellulaires qui sont dépourvus de noyau et ne présentent que très rarement des organites cellulaires.
– Les Cyanophycées : appelées également cyanobactéries, sont des microalgues procaryotes de coloration bleue-verte qui présentent une forte tolérance vis-à-vis des températures extrêmes (Lechevalier et al., 1977 ; Pulz et al., 2004). Elles sont approximativement 2000 espèces dans ce groupe (Alcaine, 2010) pouvant être divisées en 150 genres. Ces microalgues sont répandues dans toutes les variétés d’habitats aquatiques. Les espèces les plus connues sont Spirulina (Arthrospira) plantensis, Nostoc commune et Aphanizomenom flos-aquae (Pulz et al., 2004). Une seconde classe de cyanobactéries, les « Prochlorophyta », présente une spécificité au niveau de la pigmentation avec une absence totale de phycobiliprotéines, mais une présence de chlorophylle a et b (Pulz et al., 2004).
Les eucaryotes : Ce sont des organismes uni ou pluricellulaires qui présentent une structure complexe contenant un noyau entouré d’une membrane ainsi que plusieurs organites intracellulaires.
– Les Diatomées : appelées aussi les « bacillariophycées ». Ce sont des microorganismes unicellulaires photosynthétiques qui constituent le groupe dominant du règne des microalgues avec plus de 100 000 espèces connues. Ces algues sont répandues dans tous les types d’habitats et présentent comme principales réserves (produit d’accumulation intracellulaire) le « chrysolaminaran » (type de polysaccharide) et de l’huile.
– Les Chlorophycées : ce sont des microalgues vertes qui colonisent une grande variété d’habitats. Elles sont très abondantes dans les eaux douces. Ces microorganismes présentent des formes filamenteuses (Pulz et al., 2004). On dénombre actuellement 8 000 espèces, dont 1 000 sont des chlorophytes marines (Alcaine, 2010). Les espèces les plus connues sont Chlorella, Chlamydomonas, Dunaliella ainsi que Haematococcus (Pulz et al., 2004).
– Les Chrysophycées : ce sont des algues dorées qui se répandent essentiellement dans les eaux douces. On répertorie environ 1 000 espèces avec des caractéristiques similaires à celles des diatomées du point de vue pigmentation et structure biochimique (Alcaine, 2010).
Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CONTEXTE ET MOTIVATIONS
ORGANISATION DE LA THESE
1 LES MICROALGUES
1.1 DEFINITION ET ORIGINE DES MICROALGUES
1.1.1 Caractéristiques
1.1.2 Classification
1.2 APPLICATIONS DES MICROALGUES
1.2.1 Domaine alimentaire
1.2.2 Domaine pharmaceutique
1.2.3 Domaine cosmétique
1.2.4 Domaine énergétique
1.2.5 Domaine environnemental
1.3 OBJECTIFS DE NOTRE ETUDE : STRATEGIE DE BIO-FIXATION DE CO2
1.3.1 Sélection de l’espèce de microalgue
1.3.2 Optimisation de la conception du photobioréacteur pour la stratégie de bio-fixation du CO2
1.3.3 Choix de l’espèce algale
1.4 CONCLUSION
2 MODELISATION DU BIOPROCEDE
2.1 INTRODUCTION
2.2 MODES DE FONCTIONNEMENT DES CULTURES ALGALES
2.3 MODELE RETENU DANS LE CADRE DE LA THESE
2.4 CONCLUSION
3 IDENTIFICATION DES PARAMETRES DU MODELE D’EVOLUTION DE CHLORELLA VULGARIS
3.1 INTRODUCTION
3.2 MODELISATION DU SYSTEME
3.2.1 Equation d’état relative à l’évolution de la biomasse
3.2.2 Equation d’état relative à l’évolution du carbone inorganique total
3.2.3 Cinétique de croissance de Chlorella vulgaris
3.3 DETERMINATION EXPERIMENTALE DU COEFFICIENT DE TRANSFERT GAZ-LIQUIDE « KLA »
3.4 IDENTIFICATION EXPERIMENTALE DU RENDEMENT DE CONVERSION « YX/CIT »
3.5 IDENTIFICATION DES PARAMETRES DU MODELE
3.5.1 Procédure d’identification des paramètres du modèle de la lumière
3.5.2 Identification paramétrique du modèle de croissance
3.5.3 Validation du modèle de croissance
3.6 CONCLUSION
4 ESTIMATION DE LA CONCENTRATION EN BIOMASSE
4.1 INTRODUCTION
4.2 ETAT DE L’ART
4.3 FILTRE DE KALMAN
4.3.1 Principe
4.3.2 Application au système étudié
4.3.3 Mise en oeuvre en simulation
4.4 OBSERVATEUR ASYMPTOTIQUE
4.4.1 Principe
4.4.2 Application au système étudié
4.4.3 Performances en simulation
4.5 OBSERVATEUR PAR INTERVALLES
4.5.1 Principe
4.5.2 Application au système étudié
4.5.3 Réglage des gains de l’observateur par intervalles
4.5.4 Performances en simulation
4.6 VALIDATION EXPERIMENTALE
4.7 CONCLUSION
5 MISE EN OEUVRE D’UNE LOI DE COMMANDE PREDICTIVE NON-LINEAIRE
5.1 INTRODUCTION
5.2 ETAT DE L’ART
5.3 COMMANDE PREDICTIVE
5.3.1 Bref historique de la commande prédictive
5.3.2 Principe de la commande prédictive
5.3.3 Commande prédictive non-linéaire
5.4 APPLICATION AU SYSTEME ETUDIE
5.4.1 Objectif de commande
5.4.2 Formulation mathématique de la commande prédictive non-linéaire
5.5 PERFORMANCES EN SIMULATION
5.5.1 Simulation du cas nominal
5.5.2 Analyse de robustesse
5.5.3 Conclusion
5.6 VALIDATION EXPERIMENTALE DE LA COMMANDE PREDICTIVE NON-LINEAIRE
5.6.1 Commande couplée avec le filtre de Kalman
5.6.2 Commande couplée avec l’observateur par intervalles
5.6.3 Validation des performances par rapport à la GMC
5.7 CONCLUSION
6 CONCLUSIONS & PERSPECTIVES
6.1 CONCLUSIONS
6.2 PERSPECTIVES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES
ANNEXE A1
A1.1 FACTEURS INFLUENÇANT LA CULTURE ALGALE
A1.1.1 Lumière
A1.1.2 Température
A1.1.3 pH
A1.1.4 Nutriments
A1.1.5 Salinité du milieu
A1.1.6 Caractéristiques intrinsèques du réacteur
A1.2 SYSTEME DE CULTURE
A1.2.1 Systèmes ouverts
A1.2.2 Systèmes fermés « photobioréacteurs »
ANNEXE A2
A2.1 DISPOSITIF EXPERIMENTAL : BANC D’ESSAI D’UN PHOTOBIOREACTEUR DE 9,6 L
A2.1.1 Stérilisation du matériel utilisé
A2.1.2 Maintenance des précultures
A2.1.3 Choix du milieu de culture
A2.1.4 Description du photobioréacteur
A2.1.5 Méthode d’analyse
A2.2 DISTRIBUTION DU TEMPS DE SEJOUR « DTS »
A2.3 ETAT DE L’ART : MODELES DE CROISSANCE APPLIQUES DANS LES BIOPROCEDES
A2.3.1 Modèle de Monod
A2.3.2 Modèle de Haldane
A2.3.3 Modèle de Contois
A2.3.4 Modèles portant sur l’influence de la lumière
A2.3.5 Modèles portant sur l’influence du carbone
A2.3.6 Modèles portant sur l’influence simultanée du carbone et de la lumière
A2.3.7 Modèles portant sur l’influence d’autres paramètres environnementaux
ANNEXE A3
A3.1 OBSERVABILITE DES SYSTEMES
A3.2 PRECISION DE L’OBSERVATEUR PAR INTERVALLES
A3.2.1 Cas d’incertitudes sur les paramètres du modèle de croissance uniquement
A3.2.2 Cas d’incertitudes sur l’ensemble des paramètres
ANNEXE A4
A4.1 COMMANDABILITE DES SYSTEMES
A4.2 VALIDATION EXPERIMENTALE DE LA GMC COUPLEE AU FILTRE DE KALMAN
A4.2.1 Réponse à un échelon de consigne
A4.2.2 Analyse de la robustesse de la GMC
ANNEXE A5 – GLOSSAIRE
