Développement d'outils pour le suivi en ligne des cultures de microalgues utilisant le bicarbonate comme source de carbone

RÉSUMÉ: Les bioprocédés à base de microalgues représentent des alternatives prometteuses aux technologies actuelles, notamment dans les domaines énergétiques, pharmaceutiques et nutraceutiques. Toutefois, l'implantation de ces procédés à grande échelle est ralentie par leur difficile rentabilité. Les sels de bicarbonate représentent une avenue prometteuse pour optimiser la productivité des cultures et la consommation du carbone. Contrairement aux autres sources de carbone alternatives envisagées dans la culture de microalgues, les algues consomment le bicarbonate en photosynthèse. De plus, il peut être extrait d'effluents polluants. L'utilisation du bicarbonate de sodium a déjà été étudiée pour favoriser la production de lipides en fin de cycle de culture. De plus, comme le bicarbonate est totalement dissout dans le milieu de culture, contrairement au CO2 lorsqu'il est acheminé par bullage au système de culture, il est totalement disponible pour les microalgues. Cela permettrait potentiellement une croissance plus rapide chez l'espèce S. obliquus. Les objectifs à long terme dans lesquels s'insèrent ce projet sont l'évaluation du potentiel du bicarbonate comme source de carbone et l'identification des conditions optimales de culture de la microalgue Scenedesmus obliquus en utilisant le bicarbonate de sodium comme source de carbone principale. Dans cette optique, les réalisations du présent projet touchent trois aspects de la culture des microalgues. D'abord, les conditions de culture en présence de bicarbonate sont explorées. Puis, une méthode analytique appropriée au suivi en ligne des conditions favorables à la croissance des microalgues en présence de bicarbonate a été mise au point. Enfin, un modèle mathématique descriptif approprié pour les cultures de microalgues utilisant le bicarbonate comme principale source de carbone a été développé. Les contraintes de l'emploi du bicarbonate de sodium et les conditions permettant la consommation optimale de carbone ont été identifiées au fil d'expériences de cultures de type «cuvée simple» en flacons agités et en photobioréacteurs. Le pH joue un rôle crucial dans la disponibilité du bicarbonate et la croissance des algues. Une méthode de dosage des carbonates en solution par spectroscopie ATR-FTIR a été développée. Elle permet le dosage in situ et en continu, ce qui permettrait un contrôle optimal du procédé à l'échelle industrielle. Une structure de modèle appropriée à la situation est proposée et l'identification des paramètres nécessitera davantage d'expériences pour obtenir assez de données pour resserrer les intervalles de confiance sur les paramètres. La structure du modèle a été choisie de sorte à ce que les paramètres soient estimables facilement. -- Mot(s) clé(s) en français : Microalgues, Scenedesmus obliquus; bicarbonate de sodium; autotrophie; Spectroscopie FT-IR; modélisation; croissance. -- ABSTRACT: Microalgae-based bioprocesses are widely viewed as promising alternatives for polluting technologies in such fields as pharmaceutics, energy and nutraceutics. However, large scale development is still hindered by process economics. This research project looks at bioprocesses optimization through the use of an alternative carbon source. Bicarbonate salts could help increase microalgae culture productivity as well as carbon mitigation. Unlike other alternative carbon sources, microalgae will absorb bicarbonate through photosynthesis. Also, it can be obtained by industrial flue gas scrubbing. The use of sodium bicarbonate at the end of the growth cycle is known to promote lipid production. Likewise, as bicarbonate is totally dissolved in the culture medium, as opposed to sparged CO2, it is readily available to algae. It could also improve S. obliquus' growth rate compared to autotrophic cultivation with gaseous CO2. This project's long term goals are evaluating the potential of bicarbonate as a carbon source and identifying the optimal cultivation conditions for Scenedesmus obliquus using bicarbonate as the main source of carbon. To this end, the achievements of this project concern the exploration of growth conditions using bicarbonate, the development of an analytical method suitable for online monitoring of favorable growth conditions in the presence of bicarbonate, and the development of a descriptive mathematical model suitable for microalgae cultures using bicarbonate as their main source of carbon. Batch type cultures in shake flasks and photobioreactors were used to identify technical constraints surrounding the use of bicarbonate and optimal carbon consumption conditions in microalgae cultures. Acidity plays a crucial role in carbon availability and algae growth. Proper pH control is highly important as bicarbonate uptake by S. obliquus leads to increases in pH of the culture medium. Yet, microalgae have a nutritional preference towards CO2, thus forcing cultivation at higher pH values to prevent CO2 generation. A new quantification method for dissolved inorganic carbon using ATR-FTIR spectroscopy was developed. It allows continuous, online, in situ quantification which would enable optimal process control at industrial scale. The structure of the model has been determined and more growth experiments are needed to identify the parameters properly. The selected structure should allow the parameters to be easily identifiable. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Microalgae; Scenedesmus obliquus; sodium bicarbonate; autotrophic mode; FT-IR spectroscopy