Kinetic study of ammonium/ammonia production by Anabaena variabilis cultures in relation with a continuous gas stripping

par Wenli Kang

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Jack Legrand, Catherine Dupré et de Dominique Grizeau.

Le président du jury était Alain Couté.

Les rapporteurs étaient Corinne Cassier-Chauvat, Annick Méjean.

  • Titre traduit

    Etude des cinétiques de production d'ammonium/ammoniaque dans des culturesde Anabaena variabilis en relation avec un stripping continu par la phase gazeuse


  • Résumé

    Certaines cyanobactéries photoautotrophes sont capables de fixer l’azote atmosphérique grâce à des cellules spécialisées, les hétérocytes. De plus, en aérobiose, comme ces cellules peuvent excréter de l’ammonium lorsque leurs activités glutamine synthétase sont partiellement inhibées. Elles sont considérées comme usines cellulaires potentielles pour une bioproduction d’engrais azoté. Nous utilisons une souche mutante de Anabaena variabilis PCC 7937-C9, cyanobactérie hétérocytée à taux de croissance élevé, pour étudier la capacité à produire de l’ammonium en photobioréacteurs. Les caractéristiques de croissance de cette souche ne différent pas significativement de celles de la souche sauvage, avec un taux de croissance spécifique maximal de 3.0 j–1 à 30°C. Nous montrons qu’une partie de l’azote excrété dans le milieu de culture est entrainé sous forme de NH3 par la phase gazeuse, expliquant ainsi des sous-estimations antérieures. Cette production dépend de la température, l’irradiance, le taux d’aération et la concentration en MSX. Des études cinétiques confirment que la production d’azote ammoniacal en phase liquide et en phase gazeuse est corrélée aux variations de pH. Une régulation pulsée de pH permet d’accroitre la production de NH3. Des cultures en chemostat confirment que les productions de NH3 gazeux sont maximales à pH 8.8. Une variation cyclique des teneurs en NH4 +/NH3 dissous semble réguler les teneurs en NH4 +/NH3 en dessous d’un seuil critique de 1.5 mmol L–1 via une consommation par les cellules végétatives. Ces caractéristiques physiologiques sont analysées pour une application potentielle à la fourniture d’azote à des cultures de microalgues oléagineuses.


  • Résumé

    Some photoautotrophic cyanobacteria species are able to fix dinitrogen thanks to specialized cells, the heterocyts. Moreover, these cells are known to secrete ammonia when the glutamine synthase activity is partially inhibited under aerobic conditions. They are considered as potential cell factories for fertilizer. The present study uses a mutant strain of Anabaena variabilis PCC 7937-C9, a fast-growing heterocytous cyanobacterium, to investigate the potential use of diazotrophic cyanobacteria in photobioreactors for ammonium production. The growth characteristics of this strain cultivated in chemostat cultures are not significantly different from those of the wild strain, with a maximal specific growth rate of 3.0 d–1 at 30°C. A part of the combined nitrogen excreted in the culture medium is shown to be stripped through the aeration of the cultures as NH3, indicating previous underestimation of NH4 +/NH3 excretion. This process is shown to be affected by parameters such as temperature, irradiance, gas flow rate and MSX concentrations. Kinetics study reveals that the dissolved NH4 +/NH3 as well as the gaseous NH3 productions are correlated to pH variations production; a pulse regulation of pH is used to increase the NH3 production. Chemostat cultures with pH regulation are used to confirm that maximal gaseous NH3 is produced at pH 8.8. A cyclic variation of dissolved NH4 +/NH3 seems to regulate the NH4 +/NH3 concentrations under a threshold level of 1.5 mmol L–1; uptake of NH4 + by vegetative cells seems to be involved. These physiological features are discussed in view of operative conditions for efficient nitrogen supply for production by oleaginous microalgae.


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