Bioraffinerie de la microalgue Haematococcus pluvialis

Microalgal biorefinery

• Auteur / Autrice : Fatou Ba
• Direction : Gholamreza Djelveh, Céline Laroche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 09/12/2016
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Christian Larroche
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Pezron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Bourseau, Luc Marchal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microalgues

Mots clés libres

Bioraffinerie

Haematococcus pluvialis

Propriétés émulsifiantes

Floculation au polyethyleneimine

Chromatographie de partage centrifuge

Biorefinery

Haematococcus pluvialis

Emulsifying properties

Polyethyleneimine floculation

Centrifugal partition chromatography

Résumé

Le concept de Raffinerie de microalgues consiste à mettre au point des méthodes extrapolables à l’échelle industrielle permettant d’extraire, de séparer et de valoriser l’ensemble du contenu intracellulaire des microalgues. La mise en oeuvre d’un tel concept nécessite d’avoir des données sur la composition, sur la possibilité de séparation, et sur les fonctionnalités des différentes fractions de la biomasse. Dans le cadre de ce travail, Haematococcus pluvialis, qui produit un pigment à forte valeur ajoutée (l’astaxanthine) mais pour laquelle peu d’information n’est disponible sur les autres composés de sa biomasse, a été choisie comme modèle de microalgue. L’objectif est de quantifier et d’étudier la possibilité de valorisation des différentes fractions de la biomasse à différents stades de culture. Après une étape de lyse cellulaire par broyage haute pression, plusieurs fractions sont obtenues. Les protéines présentes dans le surnageant de broyage ont fait l’objet d’une caractérisation en terme de répartition des masses molaires et plusieurs méthodes de purification / concentration ont été mises en oeuvre. Les propriétés émulsifiantes (capacité émulsifiante, stabilité d’émulsion et index d’activité émulsifiante) ont été déterminées et comparées à celles d’un ingrédient commercial (caséinate de sodium). Cette étude a permis de montrer que les protéinesd’H. pluvialis possèdent un fort potentiel en tant qu’agent émulsifiant. Le surnageant de broyage, en plus des protéines, contient également des sucres, et une quantité importante de lipides et de pigments. Afin de séparer les composés hydrosolubles de ceux liposolubles dans le surnageant, une méthode basée sur l’utilisation du polyethyleneimine (PEI) a été mise en oeuvre. Ainsi il a été possible de définir des conditions permettant la floculation de 96 % des lipides et pigments en conservant 100 % des sucres et 89 % des protéines dans la phase aqueuse. Dans la suite du travail, la chromatographie de partage centrifuge (CPC) a été testée afin de séparer les lipides et les pigments. L’utilisation d’un système heptane : méthanol (+ 2 % eau) a ainsi montré que cette méthode permet le fractionnement des composés liposolubles, principal verrou technologique de la bioraffinerie d’H. pluvialis. Un schéma intégré de bioraffinage d’Haematococcus pluvialis a ainsi pu être proposé.

The concept of Refinery of microalgae consists in finding experimental procedure allowing the separation / valorization of the intracellular components of microalgae with the aim of the scale-up at industrial level. However the implementation of such a concept requires the acquisition of data on the composition, component separation efficiencies, and their valorization ability. For this study, Haematococcus pluvialis, a known producer of a high value-added pigment (astaxanthin) was chosen as a model of microalgae. If the characteristic of the pigment of this microalga is indeed well defined, there is still a lack of knowledge on the other compounds of its biomass. The aim of this work is to quantify and to study the valorization potential of various fractions of the biomass at different stages of the culture. After quantification and characterization of the various fractions of the biomass, cell lysis was achieved to obtain supernatant that contains beside pigment, proteins, sugars and important quantity of lipids. Proteins in the supernatant were characterized in term of molecular masses distribution. Several methods based on combined effect of high pressure disruption / pH shifting and ultrafiltration were implemented for concentration/fractionation of protein matrix. The emulsifying properties (emulsifying capacity and stability) were determined and compared to those of a commercial ingredient (sodium caseinate). It has been shown that the proteins from H. pluvialis possess a high potential as emulsifying agent. Using polyethyleneimine (PEI) an experimental procedure was tested to separate the hydrosoluble and liposoluble compounds from the supernatant. Thanks to this procedure, it was then possible to define experimental conditions permitting the flocculation of 96 % of lipids and pigments while 100 % of sugars and 89 % of proteins remained in the aqueous phase. Afterward, the centrifugal partition chromatography (CPC) was tested to separate lipids and pigments. The use of a heptane : méthanol (+ 2 % water) system highlighted that this method induced the separation of the liposoluble compounds, the main technological deadlock in the biorefinery of H. pluvialis. Finally, an integrated flow-sheet for Haematococcus pluvialis biorefinery has been advised.