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

Optimisation of microalgae biofilms as a future source of biomolecules

• Auteur / Autrice : Yan Gao
• Direction : Filipa Lopes, Olivier Bernard, Patrick Perré
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 13/04/2023
• 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 (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Antoine Sciandra
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Hamelin, Francis Mairet, Romain Briandet, Eleonora Sforza
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Hamelin, Francis Mairet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optimisation des structures

Photobioréacteurs

Microalgues

Biofilms

Mots clés libres

Structure du biofilm

Physiologie

Régimes Light/Dark

Modélisation

Conception

Biofilm

Structure

Modeling

Bioproducts

Microalgae

Light/Dark regimes

Physiology

Résumé

Les technologies de production de microalgues à partir de biofilms attirent beaucoup d'intérêt du fait d'une amélioration de cultures classiques de cellules en suspension. En particulier, dans les systèmes rotatifs, les cellules sont exposées des régimes périodiques de lumière et d'obscurité (cycles L/D ; L-Lumière, D-Obscurité), dans lesquels l'intensité élevée de lumière est diluée dans le temps, ce qui permet d'éviter la photoinhibition. Peu de travaux ont été menés pour évaluer leur effet sur les technologies à biofilm. L'objectif de cette thèse est d'évaluer l'impact de la lumière alternée sur la croissance, la physiologie et l'architecture du biofilm de Chlorell vulgaris par une approche couplée de modélisation et d'expérimentation. Les biofilms photosynthétiques ont été développés dans des cellules de flux. Il s'agit enfin d'optimiser les conditions opératoires et de proposer un design de réacteur à haute productivité en biomasse.Pour des conditions de lumière continue (100 à 500 μmol m-2 s-1) les résultats ont montré que les cellules réagissent à l'intensité lumineuse en ajustant la teneur en chlorophylle et leur taille comme en culture planctonique. Par ailleurs, les cellules du biofilm de C.vulgaris, bien que stressées par l'intensité de lumière (Fv/Fm faible), ont montré une forte capacité à atténuer la photoinhibition sous 300 μmol m-2 s-1. Des valeurs du taux de croissance (environ 0.3d-1) et de densité cellulaire similares à celles observées à des intensités lumineuses plus faibles ont été mesurées. Les cellules du biofilm exposées à 500 μmol m-2 s-1, semblent cependant fortement photoinhibées, en accord avec les résultats obtenus (vitesse de production O2, Fv/Fm et densité cellulaire finale).Pour les conditions de lumière alternée, des essais ont été réalisés à l'intensité maximale de 300 et 500 μmol m-2 s-1 avec une fraction de lumière (ɛ) de 1/3 et 1/5,pour une intensité moyenne de 100 μmol m-2 s-1 avec les périodes (T) de 15 s à 3 min. Les résultas montrent que le contenu en chlorophyll et l'activité photosynthétique (α, rETRmax) ne sont pas affectées par la T. Par contre, le volume cellulaire semble être fortement impacté par la valeur de l'intensité maximale de lumière. Par ailleurs, le mécanisme de photoinhibition observé à la lumière continue de 300 μmol m-2 s-1 semble être atténué en conditions de lumière alternée (ɛ 1/3 et T 15 s). Une réduction du taux de division cellulaire a été également observée pour des périodes élevés (entre 90 s et 3 min) et une intensité maximale de lumière de 500 μmol m-2 s-1. Les données suggérent que des périodes plus courtes devraient être utilisées pour améliorer la productivité du système. L'hypothèse que la structure du biofilm est façonnée par le régime de lumière appliquée a été émise.Une approche de modélisation a été développée pour prédire la croissance du biofilm dans une large gamme de T et ɛ. Il s'agit du couplage de notre modèle original de respiration à celui de Han.L'influence de T et de ɛ sur le taux de croissance du biofilm et le taux de respiration a été évaluée. Pour la première fois, la variation du taux de respiration pour les régimes de lumière alternée est considérée, permettant une meilleure explication des observations expérimentales. Cela semble une caractéristique spécifique des biofilms photosynthétiques associée à un mécanisme important de photorespiration en raison du rapport élevé O2/CO2.L'effet de la température sur la croissance des microalgues a été également intégré dans notre modèle. Une amélioration de la productivité du système rotatif semble être due à l'augmentation de la surface de support disponible pour la formation du biofilm, avec le choix de ɛ qui limite les pertes dues à la respiration. Nos résultats démontrent que le design du réacteur dépend des conditions saisonnières (intensité lumineuse et température). Enfin, un système de biofilm tournant, adaptable selon les saisons, a été proposé.

Biofilm-based microalgae technologies are attracting more attention for their potential to improve sustainability and cost-effectiveness compared with suspended-cells systems. Rotating biofilm system expose biofilm cells to periodical light/dark regimes, therefore diluting high light intensities in time to avoid photoinhibition. Intermittent light regimes are known to enhance photosynthesis and therefore biomass productivity in suspended cultures. Few works have been carried out to evaluate this effect on biofilm-based systems. This thesis aims to fill the gap by unravelling the impact of fluctuating light regime on C.vulgaris biofilms by combining experimental observations and modelling. Biofilm growth, physiology, and architecture were monitored under constant light intensities and light/dark cycles in flow-cell systems. The final goal of the thesis is to optimize the design and operation of revolving biofilm reactors in order to maximize the footprint biomass productivity.For constant light intensity ranging from 100 to 500 μmol m-2 s-1, we showed that biofilm cells react to light intensity by adjusting the chlorophyll content and their size as in planktonic cultures. C.vulgaris biofilm cells, though stressed by light (low Fv/Fm), showed strong capacity to mitigate photoinhibition under 300 μmol m-2 s-1, presenting similar growth rate (ca. 0.3 d-1) and similar final cell density as under lower light intensities. On the contrary, biofilm cells exposed to 500 μmol m-2 s-1 seemed strongly photoinhibited as revealed by photosynthesis data O2 production), Fv/Fm or final cell density.For intermittent light regimes of average light intensity 100 μmol m-2 s-1, light fractions (ɛ) of 1/3 and 1/ and cycle times (T) from 15 s to 3 min were tested. This means that peak lights were 300 and 500 μmol m-2 s-1, respectively. Pigment content and photosynthetic activity (α, rETRmax) where similar whatever the T, but the cell volume turned out to depend on the peak light intensity. Results indicated that photoinhibition induced by 300 μmol m-2 s-1 can be alleviated using a ɛ of 1/3 and T of 15 s. A negative influence on cell division rate was observed for larger T in 90 s and 3 min and also for intense peak light of 500 μmol m-2 s-1 with a T of 25 s. It points out the full light integration happens only for T small enough and for moderated peak light intensity. Shorter T should be used to mitigate higher light intensity and enhance the process productivity. We hypothesize that the biofilm architecture is shaped by the light pattern. The observed cell cluster formation might be a consequence of the light stress favouring vertical structures.A mechanistic model is developed on the basis of Han model coupled with an original dynamical respiration model to represent the growth behaviour under a wide range of T and ɛ. The influence of T and ɛ on gross growth rate and respiration rate were analysed. Respiration variation in intermittent light regimes is for the first time considered in association with the Han model, explaining better the experimental observations. This feature seems specific to photosynthetic biofilms, since photorespiration can dominate respiration due to the high ratio of O2/CO2.Temperature effect on microalgal growth was also implemented in our modeling approach. Predictions indicate that the enhancement of net footprint productivity by revolving biofilm systems is only due to the enlarged area of attachment material, with a choice of ɛ that limits the losses due to respiration. Footprint-based losses by respiration take place in the folded surface at dark, but the lower respiration in the dark reduces this loss. The best design is season dependent considering the solar irradiance and temperature variations. A revolving biofilm system was proposed with flexible design for different seasons to maximize the net footprint productivity.