Ingénierie de la surface des bulles pour la récolte des microalgues par flottation à l'aide d'une approche biophysique

Engineering the surface of bubbles for microalgae harvesting by flotation using a biophysical approach

• Auteur / Autrice : Irem Demir-Yilmaz
• Direction : Pascal Guiraud, Cécile Formosa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 26/09/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering - Toulouse Biotechnology Institute / TBI
• Jury : Président / Présidente : Martine Meireles
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dries Vandamme
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rita Kay Henderson, Georg Fantner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Floculation

Flottation

Microalgues

Biophysique

Microscopie à force atomique

Mots clés libres

Microscopie à force atomique (AFM)

Récolte cellulaire

Biophysique

Microalgues

Flottation

Floculation

Atomic force microscopy (AFM)

Microalge

Biophysics

Cell harvesting

Flotation

Flocculation

Résumé

La flottation assistée représente une technique de récolte prometteuse qui consiste à faire monter de l'air dispersé en microbulles à travers une suspension de microalgues. En conséquence, les cellules de microalgues se fixent aux bulles et sont transportées et accumulées à la surface, sans être endommagées. La flottation est donc une opération relativement rapide qui nécessite peu d'espace, a des coûts opérationnels modérés, et qui pourrait ainsi surmonter le goulot d'étranglement de la production réalisable de biocarburants à base de microalgues. Afin de rendre cette technique plus efficace pour la récolte des microalgues, la stratégie originale proposée repose sur la fonctionnalisation des bulles produites au cours du processus avec des composés adhésifs, permettant aux bulles de capturer efficacement les cellules au cours de leur ascension. Pour cela, il faut (i) développer des méthodes permettant de moduler la taille des bulles produites et leur interaction avec les cellules individuelles. Puis (ii) de déterminer quelles molécules sont présentes à la surface des microalgues afin d'identifier une molécule qui adhère à celles-ci. Pour le faire, nous avons d'abord analysé la composition de leur paroi en utilisant une combinaison de techniques telles que la chromatographie liquide et la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS). Les informations obtenues à partir de ces analyses ont révélé la présence de molécules de type chitine telles que le chitosan à la surface des cellules. Puis, dans un deuxième temps, nous (iii) déterminons si la molécule identifiée permet effectivement l'adhésion aux cellules, pour cela au niveau moléculaire les interactions entre le chitosan et la paroi cellulaire ont été mesurées à l'aide AFM. Après avoir compris la base moléculaire de ces interactions, nous avons ensuite (iv) modifié chimiquement cette molécule pour la rendre amphiphile afin de fonctionnaliser la surface de la bulle. Nous avons ajouté un groupe hydrophobe au chitosane hydrophile par N-alkylation par amination réductrice. Enfin, nous évaluons la possibilité de fonctionnaliser la bulle et de moduler son interaction avec les cellules que nous avons dans une quatrième étape v) nous évaluons l'interaction entre les bulles fonctionnalisées et les cellules, et optimisons un processus efficace de flottation de bulles fonctionnalisées à l'échelle de la population de microalgues. Les résultats de ce projet, en proposant une nouvelle technique de récolte efficace, permettront d'exploiter tout le potentiel de la biomasse des microalgues pour la production de biocarburants de troisième génération et ainsi de limiter l'impact environnemental de l'activité humaine.

Assisted flotation represents a promising harvesting technique that consists in air dispersed into microbubbles rising through a microalgae suspension. As a result, microalgae cells get attached to bubbles and are carried out and accumulated on the surface, without being damaged. Flotation is thus a relatively rapid operation that needs low space, has moderate operational costs, and that could thus overcome the bottleneck of feasible microalgal biofuel production. To make this technique more efficient for harvesting microalgae, the original proposed strategy relies on functionalizing the bubbles produced during the process with adhesive compounds, allowing bubbles to effectively capture the cells during their ascent. This requires (i) developing methods where microsize is produced bubble and their interaction with individual cells are modulated. Then (ii) determining which molecules are present on the surface of microalgae to identify a molecule that adheres to them. In order to identify which molecule could adhere to microalgae cells, we first analyzed the composition of their wall using a combination of techniques such as liquid chromatography and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The information obtained from these analyses revealed the presence of chitin-like molecule such as chitosan on the cell surface. Then in a second step we (iii) determine whether the identified molecule effectively allows adherence to cells, for that at the molecular level the interactions between chitosan and the cell wall were measured using atomic force microscopy (AFM). After understanding the molecular basis of these interactions we then (iv) chemically modify this molecule to make it amphiphilic to functionalize the bubble surface. Basically, we added an hydrophobic group to hydrophilic chitosan through N-alkylation by reductive amination. Finally, we evaluate the possibility to functionalize the bubble and modulate its interaction with cells we have in a fourth step v) we evaluate the interaction between the functionalized bubbles and cells, and optimize an efficient functionalized bubble flotation process at microalgae population scale. The results of this project, by proposing a new efficient harvesting technique, will allow to exploit the full potential of microalgae biomass for the production of third generation biofuels and thus to limit the environmental impact of human activity.