Optimisation d'un bioprocédé à biofilm de microalgues pour la production de molécules d'intérêt

par Yan Gao

Projet de thèse en Génie des procédés

Sous la direction de Filipa Lopes et de Patrick Perre.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec LGPM - Laboratoire de Génie des Procédés et Matériaux (laboratoire) et de CentraleSupélec (2015-....) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 26-09-2018 .


  • Résumé

    Les microalgues sont des usines cellulaires qui convertissent l'énergie lumineuse en énergie chimique tout en consommant du dioxyde de carbone. Elles sont actuellement cultivées pour la production de molécules à haute valeur ajoutée destinées aux marchés de la cosmétique et de la santé. La production de microalgues et l'extraction des composés d'intérêt sont réalisées en plusieurs étapes : dans un premier temps, les cellules sont cultivées en réacteurs, photobioréacteurs ou raceways, puis la biomasse est récoltée et les molécules d'intérêt sont extraites et purifiées. Ces systèmes sont toutefois caractérisés par de faibles productivités, une demande énergétique élevée et des coûts d'exploitation importants associés aux étapes de production et de récolte. Dans ce contexte, l'intérêt pour les bioprocédés à biofilms de microalgues a augmenté fortement ces derniers temps car une amélioration significative des productivités avec une dépense moindre en énergie et en eau par rapport aux systèmes classiques a été démontrée. Un biofilm est un assemblage de microorganismes associés à une surface et insérés dans une matrice de substances polymériques extracellulaires. Afin d'optimiser la technologie à biofilm et de confirmer son potentiel de production à grande échelle, il sera nécessaire d'évaluer la dynamique de développement des biofilms et la productivité de tels bioprocédés. Une nouvelle approche pour la production de microalgues et de molécules à haute valeur ajoutée à partir de biofilms sera développée et optimisée dans cette thèse. Une approche multidisciplinaire intégrant des essais expérimentaux, de l'imagerie des biofilms couplée à une modélisation multi-échelle innovante sera réalisée afin de mieux comprendre et optimiser les paramètres clés permettant d'améliorer la productivité du système. Cette thèse sera réalisée au sein de l'équipe Bioprocédés du Laboratoire de Génie Chimique et des Matériaux (LGPM) de CentraleSupélec, en étroite collaboration avec les équipes Biocore de l'INRIA (Sophia-Antipolis) et de Micalis (INRA/AgroParisTech). L'équipe Bioprocédés (LGPM/CentraleSupélec) a pour objectif de développer des bioprocédés de microalgues innovants, durables et compétitifs, en utilisant une approche couplée d'expérimentation et de modélisation. L'équipe Micalis / B2HM (INRA/AgroParisTech) est spécialisée dans l'étude de l'interaction microbienne avec les surfaces par une approche pluridisciplinaire associant biophysique et imagerie multimodale. L'équipe INRIA Biocore développe des stratégies de contrôle basées sur des modèles visant à optimiser les performances des bioprocédés.

  • Titre traduit

    Optimisation of microalgae biofilms as a future source of biomolecules


  • Résumé

    Microalgae are photosynthetic microorganisms that convert carbon dioxide into valuable compounds. These sun-driven factories have been identified as a promising biomass feedstock for the production of biofuels, feeds, foods and high-value molecules with applications in markets such as cosmetics, pharmaceutical, nutritional, and aquaculture. They are mostly cultivated as planktonic cells suspended in liquid nutrient medium mainly in open raceways before being harvested for molecules extraction. These systems are though characterized by low productivities, high energy demand and high operating costs associated to the production and harvesting steps. In this context, the interest of using immobilized microalgae (biofilm-based microalgae cultivation) has increased lately and presented as a very promising technology to overcome the major challenges of the conventional systems. A biofilm is an assemblage of microbial cells that are associated with a surface and enclosed in a matrix of extracellular polymeric substance. In order to optimize the biofilm-based technology and fully confirm its potential for the production at large-scale, more research will be performed to assess biofilm development dynamics and bioprocess productivity in those systems. A new approach to produce microalgae and high value molecules using biofilms will be developed and optimized in this thesis. A multidisciplinary approach integrating experimental assays, biofilm imaging coupled to innovative multi-scale modelling will be carried out to better understand the optimal factors enhancing productivity. This thesis will be carried out within the Bioprocess team in the Laboratory of Chemical Engineering and Materials (LGPM), CentraleSupelec, in close collaboration with the teams Biocore of INRIA (Sophia-Antipolis) and Micalis (INRA/AgroParisTech). The Bioprocess team (LGPM/CentraleSupélec) aims at developing innovative, sustainable and competitive microalgae bioprocesses through coupled experimental and modelling approaches. The team Micalis/B2HM (INRA/AgroParisTech) is specialized in studying microbial interaction with surfaces by a pluridisciplinary approach combining biophysics and multimodal imaging and the INRIA Biocore team develops model based control strategies to optimize the performances of biological processes.