Dynamique de photoacclimatation des microalgues vertes : expériences et modélisation

Photoacclimation dynamic of green microalgae : experiments and modeling

• Auteur / Autrice : Arthur Oliver
• Direction : Victor Pozzobon, Patrick Perré
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 06/06/2025
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Filipa Lopes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Remacle, Jérôme Morchain, Rafik Balti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claire Remacle, Jérôme Morchain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biotechnologie

Plantes -- Acclimatation

Photosynthèse

Microalgues

Mots clés libres

Microalgues vertes

Modélisation

Photosynthèse

Lumière

Acclimatation

Biotechnologies

Green microalgae

Modeling

Photosynthesis

Light

Acclimation

Biotechnologies

Résumé

Le changement climatique et ses conséquences figurent parmi les plus importants enjeux de notre siècle. Pour lutter contre ces effets désastreux, des changements drastiques dans nos modes de consommation et de production sont nécessaires. Au cours des dernières décennies, les biotechnologies se sont révélées être un élément clé pour faire basculer certains secteurs de production vers des solutions plus écologiques. Dans ce contexte, l'étude des microalgues a connu un essor important. Les microalgues possèdent en effet un important potentiel en termes de production de molécules à haute valeur ajoutée et des bénéfices écosystémiques qui accompagnent leur croissance.Cependant, malgré des résultats prometteurs en laboratoire, les procédés photoautotrophes peinent à surmonter leurs limites. La contrainte principale dans ces cultures est sans aucun doute la disponibilité de la lumière, un paramètre complexe à contrôler à la fois en termes de quantité de photons et de fluctuations temporelles. Dans les bioréacteurs d'échelle industrielle, une forte concentration de cellules génère un important gradient de lumière, qui, associé à l'agitation, conduit à des signaux de lumière intermittente perçus par les cellules. De plus, une variation d'intensité lumineuse plus lente est imposée au culture en extérieur en raison de l'évolution de la lumière du soleil et des conditions météorologiques au cours de la journée. Un manque de connaissances persiste concernant l'impact de cette lumière intermittente sur la croissance des microalgues et la dynamique d'expression de leurs pigments. Une meilleure compréhension de ces phénomènes pourrait améliorer le contrôle des cultures et leur productivité.Dans cette thèse, nous proposons de développer un modèle de photoacclimatation de microalgues à l'intérieur d'un photobioréacteur industriel basé sur des tests expérimentaux réalisés sur la microalgue verte Chlorella vulgaris.Les cultures ont été cultivées dans des bioréacteurs plans, avec une faible densité cellulaire, en lumière continue et en lumière intermittente pour des intensités allant de 35 μmolPhotonPAR.m^-2.s^-1 à 600 μmolPhotonPAR.m^-2.s^-1. La dynamique de photoacclimatation après un changement d'intensité lumineuse soudain a été évaluée par quantification des pigments et par dosages fluorimétriques. Une dépendance entre le temps caractéristique de modulation de la chlorophylle et le niveau de lumière d'acclimatation a été observé, mettant en avant une limitation énergétique des mécanismes de photoacclimatation. Le comportement des cellules était similaire en lumière continue et en lumière intermittente pour les intensités et les fréquences testées (f=1 Hz, duty cycle de 0.5). Enfin, aucun effet d'hystérésis n'a été observé pour les indicateurs pigmentaires et fluorimétriques dans le cas de deux changements de lumière inverses successifs.Les résultats ont été utilisés pour paramétrer un modèle macroscopique combinant le champ lumineux dans un photobioréacteur tubulaire et un modèle de croissance et de photoacclimatation. L'outil de simulation combine une méthode de lancer de rayons pour obtenir le champ lumineux, une marche aléatoire basée sur les lois hydrodynamiques pour représenter les trajectoires des microalgues, et un modèle de photosynthèse à trois états. Le modèle prend en compte l'auto-ombrage des algues évoluant avec l'accumulation de la biomasse et de la modulation pigmentaire résultant de la photoacclimatation. L'impact de l'incertitude d'estimation des paramètres sur la simulation a été évalué. La dynamique d'acclimatation observée expérimentalement n'a eu qu'un effet limité sur les simulations. Prendre en compte cette dynamique pourrait présenter un intérêt plus important pour des applications de productions de pigment. Le modèle a été utilisé pour mettre en valeur des applications telles que le dimensionnement de cultures en extérieur ou l'utilisation d'un éclairage externe pour compenser l'ombrage causé par les nuages.

Climate change and its consequences are the century's most important issues. To try to limit their impact on our environment, drastic changes in our modes of consumption and production are needed. Biotechnologies have emerged over the last decades as a key to shifting some production sectors to more environmentally friendly solutions. In this context, the culture of microalgae for biotechnological purposes has undergone an important development. Microalgae possess important potential in terms of high-added value molecules and ecosystemic benefits accompanying their growth.However, despite promising laboratory results, photoautotrophic processes struggle to overcome their limitations. The main constraint in these cultures is undoubtedly light availability, a complex parameter to control both regarding the quantity of photons and their temporal fluctuations. In industrial-scale bioreactors, a high concentration of cells causes an important light gradient, which, coupled with the agitation, leads to intermittent light patterns perceived by the cells. In addition, the outdoor culture faces slowly changing irradiance from the evolving daylight and weather conditions. Yet, a knowledge gap persists regarding the impact of intermittent light patterns on growth and pigment expression. A better understanding of these phenomena could improve culture control and productivity.In this work, we propose to develop a model of microalgae photoacclimation inside an industrial photobioreactor based on experimental assays performed on the green microalgae Chlorella vulgaris.Cultures were grown in ultra-thin flat panels with low cell density under continuous and intermittent light ranging between 35 μmol Photon_PAR.m^(-2).s^(-1) and 600 μmol Photon_PAR.m^(-2).s^(-1). The dynamic of photoacclimation after a sudden light intensity change was evaluated through pigment quantification and fluorometric assays. The characteristic time of chlorophyll modulation as a response to the light change was found to be dependent on the level of light imposed on the microalgae, advocating for an energetical limitation in the photoacclimation mechanisms. The behavior of the microalgal cells was similar for continuous and intermittent light for the intensities and frequencies tested (f=1 Hz, duty cycle of 0.5). Lastly, no hysteresis effect was observable for the pigment and fluorometric indicators considering cycles of two successive light shifts.The experimental results were used to parameterize a macroscopic model combining the light field over a tubular photobioreactor and a growth model integrating photoacclimation. The simulation tool combined a ray tracing method to obtain the light field, a random walk based on hydrodynamic laws to represent the trajectories of the microalgal cells, and a three-state photosystem model. The tool accounted for the self-shading of the algae evolving with biomass accumulation and the pigment modulation as a result of photoacclimation. The impact of the parameters' uncertainty on the model's output was evaluated. The photoacclimation dynamic highlighted experimentally had only a limited impact on the simulation output. Taking it into account could have at more important interest in pigment production applications. Lastly, the model was used to showcase applications such as the dimensioning of a fed-batch outdoor culture or the use of complementary external illumination to compensate for cloud shading.