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