Study and optimization of the microalgae cultivation in solar photobioreactors

La production industrielle de microalgues a lieu principalement en conditions solaires et dans des bassins de culture ouverts. Dans l’optique d’étendre la gamme de souches cultivables et de réduire les coûts de production de la biomasse, de nombreux systèmes de culture clos (aussi appelés photobioréacteurs ou PBRs) se développent pour la production solaire de microalgues. Néanmoins, en raison de la dynamique du rayonnement solaire et de sa composition spectrale (présence de rayonnements infrarouges et ultraviolets), maximiser les performances d’un photobioréacteur solaire demeure complexe et tient en majeure partie à la gestion de deux paramètres : l’énergie lumineuse et la température de culture. Cette thèse présente l’ensemble des résultats obtenus en photobioréacteurs lors de l’étude de ces paramètres avec comme microalgue de référence, Chlorella vulgaris. La première partie a porté sur l’utilisation de l’énergie lumineuse par les algues au travers de la vitesse spécifique d’absorption de photons (RPA). Les résultats ont montré que l’efficacité de conversion des photons en biomasse était bien liée à la valeur moyenne de RPA dans le volume de PBR (aussi appelé MRPA), et que cette dernière était décroissante avec l’augmentation du MRPA. De plus, outre le MRPA, le profil de RPA peut aussi avoir un impact majeur sur la culture. En effet, il est possible d’inhiber toute croissance en imposant un profil de vitesse d’absorption de photons important dans l’intégralité du volume de culture. La deuxième partie de cette thèse a porté sur la gestion et l’optimisation des postes de consommation énergétique associés à la production solaire en PBR. Lors de cette partie, les coûts énergétiques liés à la production ont été associés aux performances théoriques de différents PBRs plans, afin de comparer ces systèmes entre eux (avec l’exemple d’une production de microalgue sur l’année à Nantes), et mesurer les efforts à réaliser pour envisager la production industrielle de microalgues dans le domaine de l’énergie.Industrial production of microalgae takes place outdoor in open ponds exposed to solar radiation. To increase biomass production and reduce production costs many closed systems have been developed such as photobioreactors (PBRs). Nevertheless, maximizing the performance of solar PBRs remains a challenge due to difficulties in managing radiant and thermal energy transfer in the PBR. This is mainly due to the dynamic behavior of solar irradiance as it evolves throughout the day and seasons. It is also because of the spectral composition of the solar radiation which consists of ultra-violet and infrared radiation. The latter cannot be utilized by the microalgae for photosynthesis and as a result is converted to heat. This thesis presents results obtained during the study of the effects of temperature and light on the microalgae production of the microalgae Chlorella vulgaris, chosen as a reference species. The first part of the thesis focused on the utilization of light energy by the microalgae with a specific attention paid to the parameter called the rate of photon absorption (RPA). Results show that the photon to biomass conversion efficiency is linked to the volume averaged value of RPA (also called MRPA for mean rate of photon absorption). Photon to biomass conversion efficiency decreased when the MRPA increased. Moreover, in addition to MRPA, the local value of RPA and its profile in the PBR volume can have a major impact on the culture behavior. Indeed, it is possible to inhibit cell growth by having a large RPA in the PBR leading to excessive absorption of photons throughout the PBR. The second part of the thesis focused on management and optimization of energy demanding units associated to the culture of solar PBRs. During this part, energetic costs linked to the biomass production where associated to the theoretical performances of different planar systems in order to compare them (with the example of an annual production in Nantes (France)), and determine the efforts necessary to implement microalgae on industrial scale in the field of energy