Culture des Microalgues PDF

LA CULTURE DES MICRO-ALGUES I. Pourquoi ? Beaucoup de micro-algues produisent des molécules valorisantes. Pour certaines de ces molécules, certaines valent très chère sur le marché des industries. De plus, les micro-algues qu’elles soient procaryotes ou eucaryotes se reprod...

LA CULTURE DES MICRO-ALGUES I. Pourquoi ? Beaucoup de micro-algues produisent des molécules valorisantes. Pour certaines de ces molécules, certaines valent très chère sur le marché des industries. De plus, les micro-algues qu’elles soient procaryotes ou eucaryotes se reproduisent rapidement. Certes les procaryotes se divisent plus vite mais globalement une population d’algue grossis rapidement parce qu’elles se reproduisent la plupart du temps de manière asexuée. La culture d’algue est une culture écologique. En effet, il va falloir cultiver les algues le plus souvent dans des enceintes closes et on a peu de risque de contamination de l’extérieur. D’autre part, pour cultiver des algues on n’a pas besoin d’utiliser des terres arables, autrement dit des terres qui sont utilisées pour des cultures de plantes terrestres notamment les végétaux de grande consommation (ex : le blé). Il n y a donc pas de compétition avec d’autres organismes. Un autre avantage est que ces cultures peuvent être couplées à des industries productrices de CO2 donc non seulement on évite une accumulation trop importante de CO2 dans l’atmosphère mais en plus cela permet de faire pousser des algues. II. Conditions de culture A. Conditions de base et croissance Il existe des milliers d’espèces d’algues, et il existe des algothèques, c’est l’équivalent de bibliothèque, dans lesquelles on conserve les différentes souches d’algues. Généralement les algues sont conservées dans des petits erlenmeyer de l’ordre de 250 mL. Le problème de ces algues est qu’il faut procéder régulièrement à des repiquage. En effet les algues se reproduisent et quand on en a beaucoup dans un volume restreint elles vont mourir, ils font donc régulièrement les mettre dans du milieu neuf. Quand on veut conserver des algues dont n’on a pas besoin immédiatement, on va les maintenir à des faibles températures entre 4°C et 12°C suivant les espèces parce qu’à ces températures-là elles vont se diviser très lentement, elles ne meurent pas mais elles se divisent lentement, on n’a pas besoin d’entretenir les cultures régulièrement. Lorsque l’on a besoin d’une souche donnée, on va procéder à un repiquage c’est-à-dire que l’on prend une petite quantité de cette culture souche que l’on va mettre dans un milieu neuf et cette fois-ci on va disposer la culture à une température adaptée ce qui va permettre aux algues de se développer. On fait généralement une première culture dans un volume réduit et puis lorsque les algues se sont multipliées on va repiquer dans un volume plus grand et on peut comme ça progressivement repiquer les algues dans des volumes de plus en plus grand. 1  On repique les algues dans un milieu neuf. Puisque les algues sont des organismes autotrophes, le milieu est très simple. On a quelques éléments minéraux, quelques vitamines mais globalement c’est quand même relativement simple étant donné que le dioxyde de carbone et la lumière se trouvent dans l’atmosphère. Lorsque l’on met les algues dans un milieu neuf, les algues vont se mettre à proliférer via une reproduction asexuée. On peut suivre la croissance de la population d’algues en faisant des comptages à des périodes de temps variables. Au début lorsque l’on va commencer les repiquages on a très peu d’algues et puis petit à petit le nombre d’algues va augmenter jusqu’à arriver à un plateau. Au début on a une phase de latence qui correspond à la période d’acclimatation des algues à leur nouveau milieu. Et puis les algues vont commencer à se diviser, on va avoir une augmentation exponentielle du nombre de cellules puisqu’elles se divisent en 2. Puis on va arriver à une phase stationnaire, c’est une phase au cours de laquelle on va avoir le même nombre de cellules qui apparaissent par division que de cellules qui meurent. Et puis éventuellement si on poursuit la culture assez longtemps on va avoir une phase de déclin c’est-à-dire que les cellules vont mourir. Tout cela est lié à la quantité d’éléments nutritifs présents dans le milieu. Suivant la phase dans laquelle on se trouve, les cellules ne vont pas forcément fabriquer les mêmes choses. Lorsqu’elles sont en phase exponentielle, les cellules vont fabriquer essentiellement des métabolites primaires, c’est-à-dire ceux qui sont indispensables à la constitution des cellules. Quand on passe en phase stationnaire, les cellules se divisent beaucoup moins vite et généralement en phase stationnaire le métabolisme peut changer et les algues vont se mettre à synthétiser des métabolites secondaires. Suivant le type de métabolites que l’on veut récupérer lorsque l’on cultive des algues, on peut maintenir les algues soit en phase exponentielle de croissance soit à s’arranger pour qu’elles passent le plus vite en phase stationnaire. Cela va déterminer si on fait une culture discontinue dans un milieu non renouvelé ou une culture continue. Si on est en milieu non renouvelé il va y avoir une phase stationnaire, si par contre on renouvelle le milieu sans arrêt, il n’y aura pas de carences en éléments nutritifs et les algues vont rester en phase exponentielle de croissance. 2  B. Les différentes conditions de culture a. Culture en autotrophie Il y’a plusieurs possibilités, soit on décide de faire de la culture discontinue donc avec un milieu non-renouvelé. Pour faire une culture discontinue on a 2 possibilités, soit on fait avec un système ouvert vers l’extérieur, c’est ce qu’il y’a de plus simple à réaliser, ça existe depuis les années 70, on a ce que l’on appelle des fermes à ciel ouvert. Culture discontinue avec système ouvert : On a ici sur ces images des systèmes de Raceway, ce sont des minces compartiments qui ont la particularités de ne pas être très profonds. Cela veut dire que les algues même si elles sédimentent sous l’effet de leur poids sont toujours dans une zone euphotique. Cela a quand même un inconvénient, on a des conditions qui sont difficiles à controler, par exemple si il se met à pleuvoir on va avoir une dillution du milieu, on ne contrôle pas non plus la température et surtout on ne contrôle pas des éventuels parasites qui viendraient se développer et qui viendraient tuer les mico-organismes. A partir de ces systèmes de Raceway on va pouvoir récupérer des molécules qui ne coutent pas très chère, donc ce n’est pas la peine d’investir beaucoup si c’est pour vendre des molécules qui ne coutent pas très cher. Culture en batch : Un autre système de culture discontinue est de faire une culture en batch, c’est-à- dire en milieu fermé. On ensemence au t0 et puis on laisse faire. Jusqu’à ce que les algues arrivent en phase stationnaire de croissance, on ne fait rien. Les avantages de ce systèmes sont que l’on peut travailler en milieu stérile donc il n’y aura pas de contaminations. Le milieu de culture aussi est stérile. Mais cela nécessite de faire de la régulations des paramètres, notamment la témpérature, le pH, on va controler l’aération etc… donc forcément ça coute un peu plus cher. Ces cultures en batch quand elles ont extrêmement contrôlées sont dans des bioréacteurs. Un bioréacteur est une cuve dans laquelle on peut absolument controler tous les paramètres. La paroi du bioréacteur est transparente ce qui permet d’éclairer et les algues sont en autotrophie. Un bioreacteur laboratoire a une cuve qui peut contenir 1 à 5 litres de milieu tandis qu’un bioreacteur de production industrielle pour les algues par exemple a une cuve qui peut contenir des centaines de litres. 3  Le principe des bioréacteurs est que l’on a des tubulures, les algues sont dans des cuves de diamètres étroit pour que les algues reçoivent toute de la lumière. Ces matériaux coutent relativement cher, on peut le faire en intérieur quand les climats sont froids c’est-à-dire qu’on n’utilise plus la lumière naturelle donc il faut utiliser des lampes et pas n’importe lesquelles donc c’est très onéreux. Mais c’est quand même utilisé dans certains cas notamment dans la culture d’une certaine diatomée qui est très riche en oméga 3, l’oméga 3 est ensuite récupérée pour être ajouté dasn l’alimentation humaine. L’investissement est cher mais rentable car derrière on va produire une molécule qui va pouvoir être vendue relativement cher. Batch vs système ouvert : AVANTAGES INCONVENIENTS Conditions contrôlées Difficulté de stériliser de grands Peu de risques de contamination de volumes de milieu la culture Préparation longue Pas de perte de micro-organismes durant la culture Globalement avec les culture en batch on a un meilleur contrôle et un meilleur rendement que les systèmes ouverts mais c’est aussi plus cher et plus complexe à mettre en œuvre, ces systèmes en batch sont donc réservés aux micro-algues à HVA (haute valeur ajoutée), c’est-à-dire les micro-algues qui produisent des molécules intéressantes sur le marché des industries. Culture continue (milieu renouvelé) : Les cultures discontinues produisent des métabolites secondaires, on ne renouvelle pas le milieu, on arrive en phase stationnaire. Les métabolites secondaires sont généralement utilisés dans l’industrie. On peut décider de travailler en milieu renouvelé de façon à maintenir les algues en phase exponentielle de croissance. On va faire cela quand on veut récupérer de la biomasse donc le plus d’algues possible, notamment pour l’aqua culture. En aqua culture on va élever des petits poissons que l’on va nourrir avec du zooplancton qui doit lui-même être nourrit avec du phytoplancton. Donc il faut produire beaucoup d’algues qui vont servir de premier maillon de la chaine alimentaire. Il faut donc maintenir les algues en culture, et c’est le principe du chémostat. Dans un chémostat on va en permanence récupérer une partie de la culture et on remplace ce que l’on a récupéré par du milieu neuf. Donc on dilue en permanence le milieu de culture avec du milieu de culture ce qui nous permet de toujours avoir des éléments nutritifs. Las algues ont toujours de quoi se développer. Las algues que l’on récupère vont pouvoir ensuite être utilisées. Donc on maintient lles divisions en phase exponentielle de croissance et on peut 4 contrôler la vitesse spécifique de croissance en contrôlant la fréquence de dilution. Plus on dilue, plus on apporte du milieu neuf et plus les cellules vont se diviser rapidement, on peut donc jouer là- dessus pour avoir une division plus ou moins rapide des cellules. Un chémostat permet de stabiliser les concentrations en substances nutritives, la vitesse de dilution est fixée. Les micro- organismes sont soumis à une bonne aération, à une agitation vigoureuse et ont toujours à leur disposition les éléments nutritifs dont ils ont besoin. La multiplication est maintenue exponentielle à une vitesse spécifique de croissance qui est rigoureusement contrôlée par l’apport de milieu neuf. Chémostat vs bioréacteur : AVANTAGES INCONVENIENTS Maintient la phase exponentielle : Pas de possibilité de fabrication de rendement optimal produits libérés uniquement durant Récupération des produits au fur et la phase de déclin à mesure de leur production Plus coûteux (ajout de milieu en continu) b. Culture en hétérotrophie Il y’a certaines algues qui ont intérêt à être cultivées en hétérotrophie. Cela veut dire qu’elles ne vont plus transformer le C02 en matière organique, elles vont être capable de récupérer directement de la matière organique donc on peut se passer de CO2. C’est une technique qui est parfaitement maitrisée notamment danx l’entreprise Fermentalg à Libourne. Ils ont dans leur algothèque des centaines d’espèces. Les culture en hétérotrophie se font dans ce que l’on appelle des fermenteurs, ça ne veut pas dire pour autant qu’il y’a fermentation. Un fermenteur est un bioréacteur qui n’est pas transparent. Ca peut être utilisé pour faire de la fermentation mais pas uniquement. Comme les algues ne sont pas en autotrophie, elles n’ont pas besoin de lumière et on peut les mettre dans des contenants opaques. Il est intéressant de cultiver certaines espèces d’algues en hétérotrophie parce qu’elles ont un rendement meilleur que les autres et surtout elles produisent des molcécules qu’elles ne peuvent pas produire autrement, le métabolisme est complètement différent. On a ici l’extrait d’une thèse qui a été faire il y’a une dizaine d’années sur une chlorobionte (algue verte) qui peut être cultivée comme tout algue en photoautotrophie mais qui peut être cultivée aussi en hétérotrophie ou en mixotrophie (en hétérotrophie mais 5 avec de la lumière). Ce que l’on suit ici au cours du temps c’est l’absorbance. L’absorbance de la lumière par les algues permet d’avoir une idée de la quantité d’algues présente. Plus la lumière est absorbée plus il y’a d’algues. Cela revient à faire des courbes de croissance. En photoautotrophie on a une légère augmentation de l’absorbance au cours du temps, les algues se développent tèrs lentement. Si par contre on les cultive en hétérotrophie, le développement est très important. Hetérotrophie signifie que l’on a mis un peu de milieu nutritif mais on a rajouter du lactosérum qui est une molécule organique et on cultive les algues dans l’obscurité. Ces algues cultivées dans l’obscurité vont être capables de récupérer le lactosérum et de l’utiliser pour leur croissance. Non seulement les algues se divisent rapidement mais en plus elles produisent des molécules qu’elles ne produisent pas en photoautotrophie et qui sont valorisables sur le marché industriel. Le lactosérum est un déchet de l’industrie du fromage, il va donc être récupérer par les producteurs d’algues ce qui ne va rien leur couter. Intérêts de la culture de micro-algues : Importante productivité en termes de biomasse. Permet de s’affranchir de la contrainte du sol liée à l’utilisation de plantes de grandes cultures (colza, tournesol). Il n’y a pas de compétition Pas d’irrigation, de pesticides. Culture couplée à l’épuration des eaux et à la captation du CO2 industriel issu de différents procédés. Production dans des enceintes confinées et contrôlées donc approches de génie génétique possibles. Modification des paramètres de culture pour optimiser la production de certaines molécules 6  III. Les enjeux actuels Actuellement il y’a beaucoup de travaux de recherche sur la selection d’espèces d’intérêt. Parmis toutes les micro-algues que l’on connait il y’en a qui ne sont pas intéressante, qui ne produisent rien et qui sont même pas intéressante pour nourrir du zooplancton. Parmis les espèces intéressantes on essaye de sélectionner les souches intéressantes. Pour une même espèce on peut avoir plusieurs souches et toutes les souches ne présentent pas le même intérêt donc il y’a un gros travail de sélection. D’autre part, chaque fois que l’on a une espèce dont on sait qu’elle est intéressante, il va falloir optimiser les conditions de culture pour faire que cette espèce pousse le plus vite possible. On peut jouer sur tous les paramètres et là encore il y’a un gros travail de recherche pour optimiser ces conditions. Ensuite il faut pouvori augmenter la production des molécules valorisables. Dunaliella saliena est une algue verte qui normalement est donc verte. Mais quand on la cultive en lumière forte elle produit beaucoup de carotène, du carotène que l’on peut extraire. Evidemment, quand on va cultiver cette algue pour obtenir du carotène dans l’industrie alimentaire ou l’industrie du cosmétique, on va bien entendu la cultiver sous des éclairements forts. On doit à chaque fois on doit optimiser les conditions de culture de façon à augmenter la production des molécules d’intérêt. On peut le faire en jouant sur différents paramètres et notamment le génie génétique, il y’a un certains nombre d’espèces d’algues qui ont été modifiées génétiquement pour surexprimer un gène impliqué dans la synthèse d’une molécule d’intérêt. Il va également falloir optimiser l’extraction des molécules et leur transformation. Par exemple l’extraction du carotène passe par l’utilisation de solvants, la question qui se pose est de savoir ce que l’on fait des solvants après. Les industriels actuellement n’ont plus le droits d’utiliser certains solvants polluants. Ils sont obligés de faire toute une recherche pour modifier les techniques d’extraction notamment du carotène. Il y’a certaines algues qui sont riches en lipides que l’on peut extraire et transformer ensuite en biodiesel. Pour l’instant cela n’est pas rentable car l’extraction de ces lipides coute trop cher. Conclusion : Les algues ne sont pas un groupe monophylétique. Les micro-algues représentent une biodiversité d’environ 30 000 espèces et ont un impact écologique et économique important Les micro-algues on un bel avenir puisqu’elles produisent des molécules à haute valeur ajouté. Les micro-algues sont une filière dynamique dans la recherche et notamment. 7