Développement d’un procédé symbiotique entre Saccharomyces cerevisiae et Chlorella vulgaris en photo-bioréacteur pour une limitation en rejet de CO2 in situ

Process development for symbiotic culture of Saccharomyces cerevisiae and Chlorella vulgaris for in situ CO2 mitigation

• Auteur / Autrice : Angéla La
• Direction : Patrick Perré, Behnam Taidi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 22/05/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Théodore Bouchez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Perré, Behnam Taidi, Théodore Bouchez, Patricia Taillandier, Olivier Bernard, Filipa Lopes, Marina Bély
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patricia Taillandier, Olivier Bernard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photobioréacteurs

Développement des formes (biologie)

Microorganismes -- Métabolisme

Mots clés libres

Consortium microbien

Culture mixte et co-Dominante

Échange de gaz

Photo-Bioréacteur

Modèle de croissance

Métabolisme

Microbial consortium

Co-Dominant mixed culture

Gas exchange

Photo-Bioreactor

Growth model

Metabolism

Résumé

La levure et la microalgue sont des microorganismes très étudiés pour la production de composés à haute valeur ajoutée pour des secteurs tels que l’agroalimentaire et l’énergie. Ce travail de thèse propose un procédé de culture mixte entre la levure Saccharomyces cerevisiae et la microalgue Chlorella vulgaris pour la croissance des deux espèces tout en limitant le rejet en CO2. Le procédé repose sur la symbiose mutuelle entre les deux organismes autour des échanges de gaz, qui est rendu possible en imposant une co-dominance en termes de population. Les populations doivent être équilibrées pour que les microalgues puissent gérer la production de CO2. Le procédé est réalisé en photo-bioréacteur de 5 litres non-aéré et fermé, afin d’éviter les échanges gazeux avec l’environnement externe. Dans cette configuration, le CO2 est produit sous forme dissoute et directement accessible aux microalgues, évitant les phénomènes de dégazage et de dissolution. Les populations de levures et de microalgues atteignent une concentration égale (20 millions de cellules par ml) au bout de 24 heures de culture, restent stables jusqu’à la fin de la culture (168 heures) et les microalgues recyclent 12% du CO2 produit par les levures. Un modèle cinétique de la levure et de la microalgue en culture mixte est développé en combinant les modèles individuels de la levure et de la microalgue. Le modèle prédictif de la levure prend en compte les possibles voies métaboliques impliquées dans la fermentation et la respiration de ces voies est prédite en y intégrant des facteurs de limitation. Le modèle de la microalgue est basé sur l’activité photosynthétique. Les résultats de ce travail montrent la faisabilité du procédé de culture mixte entre hétérotrophe et autotrophe et pourrait apporter les bases pour le développement d’un procédé écologique à faible impact environnemental.

Yeast and microalgae are microorganisms widely studied for the production of high-value compounds used in food and energy area. This work proposes a process of mixed culture of Saccharomyces cerevisiae and Chlorella vulgaris for both growth and CO2 mitigation. The process relies on mutual symbiosis between the two organisms through gas exchange, which is possible by engineering the co-dominance of populations. The two populations must be balanced in such a way so that microalgae can cope with the rate of CO2 production by the yeast activity. The process is performed in non-aerated 5l-photo-bioreactor fitted with a fermentation lock to prevent gas exchange with the outside atmosphere. With this set-up, the CO2 is produced in dissolved form and is available to the microalgae avoiding degassing and dissolution phenomena. The two organism populations are balanced at approximately 20 millions cells per ml, 12% CO2 produced by yeast was reutilized by microalgae within 168 hours of culture. A yeast and microalgae growth model in mixed culture is developed by combining each individual growth model. The predictive yeast model considers the possible metabolic pathways involved in fermentation and respiration and imposes limitation factors on these pathways, in this manner, the model can predict the partition of these pathways. The microalgae individual model is based on the photosynthetic activity. The results of this work show the feasibility of such process and could provide a basis for the development of a green process of low environmental impact.