Conception, contrôle et fonctionnement d'un photobioréacteur pour la culture en mode continu de la cyanobactérie Spirulina platensis

Design control and operation of a photobioreactor for continuous cultures of Spirulina platensis

• Auteur / Autrice : Anne Cascallo
• Direction : Nelly Cochet-Giraud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie enzymatique, bioconversion, microbiologie
• Date : Soutenance en 2000
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Bioréacteurs

Écosystèmes clos

Nitrates

Spirulines

Cyanobactéries

Résumé

La culture de cyanobactéries en photobioréacteur est régie par des limitations physiques (distribution de l'énergie lumineuse, transfert du Co 2) et biologiques (concentration limitante des différents nutriments). Dans le cadre de la réalisation d'un celss (controlled ecological life support system), la modélisation de ces limitations est particulièrement importante, ainsi que son intégration dans un système de contrôle afin d'obtenir un fonctionnement robuste et stable du systeme et l'obtention de la biomasse souhaitée. Cette étude a permis d'optimiser le fonctionnement du compartiment photautotrophe de melissa (microbiological ecological life support system alternative), qui constitue un écosystème ferme basé principalement sur des micro-organismes. Dans un premier temps, des cultures continues de spirulina platensis ont été réalisées dans un photobioréacteur de 7 litres à illumination radiale pour caractériser le comportement de cette cyanobactérie dans les cas de taux de dilution élevés et de limitation par la source d'azote, pour des cultures limitées par la lumière. Les productivités obtenues expérimentalement tout comme les déviations métaboliques qui surgissent dans ces situations de limitation ont été confrontées aux prédictions d'un modèle mathématique prédictif de la concentration et de la composition de la biomasse de spirulina platensis qui a été mis au point antérieurement dans le cadre du projet melissa un programme de contrôle contenant une version simplifiée de ce modèle de connaissance a été appliquée avec succès à la conduite de ce même photobioréacteur. Un tel systeme permet la régulation automatique de la concentration de la biomasse autour d'un point de consigne, par modulation de l'intensité lumineuse et du débit d'alimentation appliques à la culture. Par la suite, un changement d'échelle du compartiment photoautotrophe a été réalisé. Une étude de dimensionnement et la comparaison de différentes géométries ont conduit à la sélection d'un photobioréacteur gazosiphon à boucle externe d'un volume de 77 litres et dont la partie illuminée est composée de deux tubes cylindriques de diamètre 15 cm. Le système de contrôle de ce photobioréacteur a été développé et validé, puis ses principales caractéristiques physiques ont été déterminées dans différentes conditions opératoires. Finalement, un fonctionnement satisfaisant de ce réacteur a été obtenu pour des cultures en mode batch et continu. La limitation par la source de carbone chez spirulina platensis a été étudiée dans ce photobioréacteur et l'interaction entre les mécanismes de concentration du carbone et la photosynthèse a pu être mise en évidence.