Étude de l’immobilisation de la microalgue Raphidocelis subcapitata dans des billes d’alginate pour produire une quantité élevée de lipides

Benasla, Amel (2024). Étude de l’immobilisation de la microalgue Raphidocelis subcapitata dans des billes d’alginate pour produire une quantité élevée de lipides. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les lipides algaux suscitent beaucoup d’intérêt quant à la production de biodiesel et d’autres bioproduits qui peuvent être utilisés pour des applications nutritionnelles et pharmaceutiques. Les lipides peuvent être aussi utilisés comme émulsifiants en agroalimentaire et comme matière première pour la fabrication de produits de nettoyage. Toutefois, le procédé de production des lipides algaux présente des coûts élevés et certains défis non négligeables. La récolte des microalgues constitue une étape limitante, car ces microorganismes sont de petite taille et sont dilués dans le milieu de culture. La centrifugation est la technique la plus utilisée à l’échelle industrielle mais elle est coûteuse en énergie. L’intégration de la technologie d’immobilisation dans la culture des microalgues, notamment, le piégeage dans des billes d’alginate, permettrait de faciliter leur récolte et par conséquent, contribuerait à l’augmentation de la faisabilité économique du procédé. Néanmoins cette technologie n’est pas encore parfaitement maitrisée puisque certains problèmes restent à résoudre avant le passage à grande échelle dont le niveau de stabilité des billes pour favoriser la croissance des microalgues et minimiser la fuite des cellules. Dans ce contexte, l’objectif général du présent projet est l’étude de l’immobilisation de la microalgue d’eau douce Raphidocelis subcapitata dans des billes d’alginate pour produire une quantité élevée de lipides. Cet objectif général a été subdivisé en trois objectifs spécifiques.

Le premier objectif vise à déterminer les concentrations en alginate et en CaCl2 qui assurent la stabilité des billes et favorisent la croissance de la microalgue pendant 10 jours de culture. Pour ce faire, la microalgue a été cultivée dans des billes élaborées avec différentes concentrations en alginate et en CaCl2. Les résultats ont montré que, parmis toutes les combinaisons étudiées, la combinaison 2 % alginate et 1 % CaCl2 était la meilleure, car elle assure la stabilité des billes et la croissance de la microalgue, et ce, avec une faible concentration de cellules libres détectées dans le milieu de culture.

Le deuxième objectif consiste à examiner la capacité de la microalgue immobilisée à accumuler les lipides sous conditions de stress. La production de biomasse et de lipides chez la microalgue a été quantifiée durant sa culture en batch, avec suivi des concentrations en azote (N) et en phosphore (P) dans le milieu de culture. Les résultats ont montré que R. subcapitata immobilisée était capable d’accumuler 24,7 ± 2,5 % de son poids sec en lipides lorsque le N et le P étaient épuisés. Une productivité lipidique PL = 29,8 ± 3,0 mg/L/jour a été enregistrée durant la phase stationnaire de croissance.

Le troisième objectif vise à augmenter la productivité lipidique de la microalgue par application d’une stratégie de culture en deux étapes. R. subcapitata d’abord été cultivée dans des conditions d’apports optimales en N et P pour l’obtention d’une production maximale en biomasse, puis les billes ont été transférées dans un milieu carencé en N pour induire l’accumulation des lipides. Par cette stratégie, R. subcapitata immobilisée a atteint 37,9 ± 3,8 % de son poids sec en lipides et une productivité lipidique PL = 40,3 ± 4,0 mg/L/jour sous carence en N.

Dans l’ensemble, les résultats obtenus ont permis d’atteindre l’objectif général du projet. La productivité lipidique de R. subcapitata immobilisée peut être encore améliorée en variant l’intensité lumineuse et le cycle de lumière. Enfin, une transition à une échelle semi-industrielle est souhaible avant de réaliser une production industrielle avec cette technologie.

Titre traduit

Study of the immobilization of the microalga Raphidocelis subcapitata in alginate beads to produce a high quantity of lipids

Résumé traduit

Algal lipids are attracting much interest in the production of biodiesel and other bioproducts that can be used for nutritional and pharmaceutical applications. Lipids can also be used as emulsifiers in the food industry and as raw materials for the manufacture of cleaning products. However, the process of producing algal lipids presents high costs and certain significant challenges. Harvesting microalgae constitutes a limiting step, because these microorganisms are small and are diluted in the culture medium. Centrifugation is the most used technique on an industrial scale but it costs energy. The integration of immobilization technology in the cultivation of microalgae, in particular, trapping in alginate beads, would facilitate their harvest and therefore contribute to increasing the economic functionality of the microalgae. However, this technology is not yet perfectly mastered since certain problems remain to be resolved before scaling up, including the level of stability of the beads to promote the growth of microalgae and minimize cell leakage. The general objective of this project is the study of the immobilization of the freshwater microalga Raphidocelis subcapitata in alginate beads to produce a high quantity of lipids. This general objective has been subdivided into three specific objectives.

The first objective aims to determine the alginate and CaCl2 concentrations which ensure the stability of the beads and promote the growth of the microalgae during 10 days of culture. To do this, the microalgae was cultivated in beads produced with different concentrations of alginate and CaCl2. The results showed that, among all the combinations studied, the 2 % alginate and 1 % CaCl2 combination was the best, because it ensures the stability of the beads and the growth of the microalgae, with a low concentration of free cells detected in the culture medium.

The second objective is to examine the capacity of the immobilized microalgae to accumulate lipids under stress conditions. The production of biomass and lipids in the microalgae was quantified during its batch culture, with monitoring of the concentrations in nitrogen (N) and phosphorus (P) in the culture medium. The results showed that immobilized R. subcapitata was able to accumulate 24.7 ± 2.5 % of its dry weight in lipids when N and P were depleted. A lipid productivity PL = 29.8 ± 3.0 mg/L/day was recorded during the stationary phase of growth.

The third objective aims to increase the lipid productivity of the microalgae by applying a twostep culture strategy. R. subcapitata was first cultivated under optimal N and P supply conditions to obtain maximum biomass production, then the beads were transferred to an N- deficient medium to induce lipid accumulation. By this strategy, immobilized R. subcapitata achieved 37.9 ± 3.8 % of its dry weight in lipids and lipid productivity PL = 40.3 ± 4.0 mg/L/day under N deficiency.

Overall, the results obtained made it possible to achieve the general objective of the project. The lipid productivity of immobilized R. subcapitata can be further improved by varying the light intensity and light cycle. Finally, a transition to a semi-industrial scale is desirable before achieving industrial production with this technology.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 159-196).
Mots-clés libres:	récolte des microalgues, Raphidocelis subcapitata immobilisée, lipides, billes d’alginate, stratégie de culture en deux étapes
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Hausler, Robert
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	06 juin 2024 19:43
Dernière modification:	06 juin 2024 19:43
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3463

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