Effect of process operational factors on Chlorella vulgaris biofilms : from cell mechanisms to process optimization

par Sufang Li

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Filipa Lopes et de Andrea Fanesi.

Le président du jury était Romain Briandet.

Le jury était composé de Olivier Bernard, Antoine Sciandra, Gaël Bougaran.

Les rapporteurs étaient Olivier Bernard, Antoine Sciandra.

  • Titre traduit

    Effet des facteurs opératoires du procédé sur les biofilms de Chlorella vulgaris : des mécanismes cellulaires à l'optimisation des procédés


  • Résumé

    La technologie de culture de microalgues sous forme de biofilm est présentée aujourd’hui comme une alternative prometteuse à la culture en suspension. Cependant, une meilleure compréhension de l'impact des facteurs opératoires du procédé sur le développement du biofilm et sur la productivité du système de culture est nécessaire pour confirmer pleinement le potentiel de cette technologie pour la production de biomasse/composés d’intérêt à grande échelle. Cela permettra d'identifier des facteurs limitants/inhibiteurs, d'optimiser ce type de procédés, et apportera également de nouvelles connaissances sur le comportement des cellules immobilisées, qui reste encore mal compris.L'objectif de cette thèse est d'évaluer l'effet des facteurs opératoires tels que la lumière, le type de support et l'inoculum sur la croissance du biofilm, la productivité et la physiologie des cellules sessiles. Pour ce faire, C. vulgaris a été immobilisé sur des matériaux poreux comprenant des supports en tissu et des membranes. Le comportement des cellules immobilisées (croissance, composition, activité photosynthétique) a été étudié dans différentes conditions d'intensité lumineuse, de matériaux et de densité d'inoculum/physiologie. Les résultats montrent que les cellules se sont acclimatées en seulement 3 jours pour un biofilm développé dans un réacteur continu. Cependant, des productivités faibles ont été obtenues, ce qui peut être liée à un détachement élevé ou aux propriétés du support en coton. Par conséquent, la capacité de rétention cellulaire de cinq tissus a été testée par la suite afin de trouver des supports prometteurs. Le matériau Terrazzo avec la plus petite taille de pores et la plus faible densité des mailles (micro-texture) a présenté la capacité de rétention la plus élevée, ce qui en fait ainsi un support prometteur pour la culture à grande échelle. La distribution des cellules immobilisées sur les tissus, le développement et l'activité du biofilm se sont avérés fortement affectés par le type de support. De plus, un autre système de culture, où les cellules sont immobilisées sur une membrane, a été utilisé par la suite pour étudier l'effet combiné de l'intensité lumineuse et de la densité de l'inoculum sur le développement du biofilm dans des conditions plus contrôlées. Les résultats ont montré qu'une densité d’inoculum élevée sur les supports (tissus et membranes) affecte négativement la productivité, ce qui peut être lié à une limitation de la lumière et des nutriments. Des conditions combinées de lumière et de densité de l’inoculum favorisant la production de biomasse ou de lipides ont également été identifiées. Par ailleurs, les résultats montrent que l'acclimatation de l'inoculum à 350 et 500 µmol m-2 s-1 a bénéficié à la production de biomasse et a évité le mécanisme de photo-inhibition, respectivement. Cela suggère l'importance de prendre en compte la photo-acclimatation des cultures dans la conduite des technologies à biofilm. Enfin, pour la première fois, le processus d'acclimatation des cellules passant de l'état planctonique à l'état immobilisé a été étudié : au cours des premières heures, les cellules ont augmenté leur taille, accumulant des glucides et diminuant leur teneur en Chl a. Il est très probable que ce comportement soit lié à un changement au niveau des conditions environnementales, permettant aux cellules de s'acclimater au nouveau mode de vie sous forme sessile.


  • Résumé

    Microalgae biofilm-based technology has been pointed out as a promising alternative to suspended cells cultivation. However, a better understanding of the impact of process operational factors on biofilm development and productivity is actually needed to fully confirm the potential of biofilm-based processes for biomass/compounds production at large-scale. This will help identifying stressful factors and optimizing this kind of processes, and it will also provide new knowledge on immobilized cell behavior, which remains poorly understood.The aim of this thesis is to assess the effect of operational factors like light, support and inoculum on growth, productivity, and physiological properties of sessile cells during biofilm development. To do so, C. vulgaris was immobilized on porous materials including fabric supports and membranes. Immobilized cell behavior (growth, composition, photosynthetic activity) was investigated under different conditions of light intensity, supports and inoculum density /physiology. In a continuously submerged reactor, cells acclimated within only 3 days to the new biofilm lifestyle. Low productivities were though obtained, which may be related to high detachment or support properties. Consequently, cell retention capability on five fabrics was tested afterwards in order to find promising supports. Accordingly, Terrazzo with the smallest pore size and mesh density exhibited the highest cell retention capability, representing thus a potential support for large-scale biofilm cultivation. Immobilized cells distribution on fabrics, biofilm development and activity were found to be strongly affected by the support material. Another biofilm-based system (perfused system) where cells are immobilized on a membrane was then used to study the combined effect of light intensity and inoculum density on biofilm developpement under more controlled conditions. Results showed that high cell density affects negatively the productivity on fabrics and membranes which may be linked to limitation in light and nutrients. Combined conditions of light and cell density which promote either biomass or lipids production were also identified. Inoculum acclimation to 350 and 500 µmol m-2 s-1 benefited biomass production and avoided photo-inhibition, respectively, suggesting the importance of considering photo-acclimation on biofilm-based systems set-up. For the first time, the acclimation process of cells switching from planktonic to the immobilized state was lastly studied. Unexpectedly, within the first hours, cells increased their size, accumulating carbohydrates, and decreasing the Chl a content. It is likely that changes in environmental conditions trigger this behavior, allowing the cells to acclimate to the new lifestyle.


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