FR2696475A1 - Process for the production of micro-algae. - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un procédé de production de microalgues produisant, en particulier, des métabolites d'intérêt économique. The present invention relates to a process for the production of microalgae producing, in particular, metabolites of economic interest.
Le principal intérêt de la culture de microalgues réside d'une part dans la production de biomasse en grande quantité, exploitée ultérieurement, notamment dans l'industrie agro-alimentaire, les cosmétiques ou pour l'agriculture, et d'autre part dans la production de métabolites d'intéret économique. The main interest of the culture of microalgae resides on the one hand in the production of biomass in great quantity, exploited later, in particular in the food-processing industry, the cosmetics or for agriculture, and on the other hand in the production of metabolites of economic interest.
Par métabolites d'intérêt économique, on entend en particulier des molécules à haute valeur ajoutée produites naturellement et dont la synthèse est délicate du fait de leur complexité. The term metabolites of economic interest means in particular molecules with high added value produced naturally and the synthesis of which is difficult due to their complexity.
Entrera également dans cette catégorie, tout produit dont la production naturelle sera considérée en terme de bilan économique industriel, plus rentable que sa production par voie de synthèse. This product will also fall into any product whose natural production will be considered in terms of industrial economic balance, more profitable than its production by synthesis.
Parmi les métabolites d'intérêt économique, on trouvera, par exemples, des pigments tels que phycoérythrine, phycocyanine et béta-carotène, des lipides tels que l'acide éicosapentaénoique, des phosphoet sulfo-lipides, des acides aminés tels que la proline, et des molécules à activité thérapeutique tels que certains dérivés de stérols. Among the metabolites of economic interest, there are, for example, pigments such as phycoerythrin, phycocyanin and beta-carotene, lipids such as eicosapentaenoic acid, phospho and sulpho-lipids, amino acids such as proline, and molecules with therapeutic activity such as certain sterol derivatives.
Toutefois, l'exploitation des microalgues implique pour être rentable la maîtrise des conditions de culture et de récolte, tout en préservant la qualité biochimique de la matière algale. Les cultures de microalgues peuvent être obtenues en mode soit extensif, soit intensif. Les biomasses obtenues en fin de culture vont de 0,1 à quelques kg/m3 de matière sèche, valeurs relativement faibles par comparaison avec d'autres cultures de microorganismes tels que bactéries et champignons hétérotrophes. However, the exploitation of microalgae implies to be profitable the control of the culture and harvest conditions, while preserving the biochemical quality of the algal matter. Microalgae cultures can be obtained in either extensive or intensive mode. The biomasses obtained at the end of culture range from 0.1 to a few kg / m 3 of dry matter, relatively low values in comparison with other cultures of microorganisms such as bacteria and heterotrophic fungi.
Classiquement, les microalgues sont récoltées selon divers procédés impliquant des opérations de floculation/décantation, floculation/flottation et/ou centrifugation, etc. Les procédés connus et les installations pour les mettre en oeuvre se distinguent par leurs rentabilités économiques respectives. Lorsqu'il s'agit de cultures cellulaires photoautotrophes, donc relativement diluées, les séparations solides/liquides par voie mécanique impliquent la mise en oeuvre de matériel surdimensionné, réduisant d'autant la rentabilité de ce type de production. Conventionally, microalgae are harvested according to various processes involving flocculation / decantation, flocculation / flotation and / or centrifugation operations, etc. The known methods and the installations for implementing them are distinguished by their respective economic returns. When it comes to photoautotrophic cell cultures, therefore relatively dilute, solid / liquid separations by mechanical means involve the use of oversized material, thereby reducing the profitability of this type of production.
Selon l'art antérieur, l'accumulation de molécules à forte valeur ajoutée, est pratiquée durant la culture des microalgues en jouant sur les facteurs environnementaux. Les méthodes utilisées diffèrent selon les molécules recherchées et les souches cultivées. La maîtrise des conditions optimales pour ces biosynthèses est loin d'être assurée dès qu'il s'agit de volumes de cultures supérieurs à quelques m3. En effet à ces échelles de production apparaissent des limitations liées à des problèmes de transfert de matière et/ou de lumière. Dans ces conditions, la maîtrise des facteurs environnementaux permettant l'accumulation des métabolites recherchés implique, de manière générale des coûts de production très élevés. According to the prior art, the accumulation of molecules with high added value is practiced during the culture of microalgae by playing on environmental factors. The methods used differ according to the molecules sought and the strains cultivated. Control of the optimal conditions for these biosyntheses is far from being guaranteed when it comes to crop volumes greater than a few m3. Indeed on these production scales appear limitations linked to problems of transfer of matter and / or light. Under these conditions, the control of environmental factors allowing the accumulation of the metabolites sought implies, in general, very high production costs.
L'objet de cette invention est donc d'optimiser la mise en oeuvre des conditions provoquant l'accumulation de molécules d'intérêts économiques tout en optimisant la récolte des microalgues. The object of this invention is therefore to optimize the implementation of the conditions causing the accumulation of molecules of economic interest while optimizing the harvest of microalgae.
La présente invention concerne donc un procédé de récolte de microalgues permettant de dissocier les conditions optimales de production de biomasse de celles relatives à la production des métabolites recherchés. The present invention therefore relates to a microalgae harvesting method making it possible to dissociate the optimal conditions for biomass production from those relating to the production of the desired metabolites.
Le procédé selon la présente invention se caractérise par les étapes suivantes a) cultiver les microalgues en milieu liquide dans des conditions appropriées assurant essentiellement la formation d'une biomasse importante, b) concentrer la biomasse obtenue, c) placer cette biomasse concentrée dans des conditions assurant essentiellement l'accumulation de métabolite, et d) récolter la biomasse contenant le métabolite et/ou le milieu contenant le métabolite. The process according to the present invention is characterized by the following stages a) cultivating the microalgae in a liquid medium under appropriate conditions essentially ensuring the formation of a large biomass, b) concentrating the biomass obtained, c) placing this concentrated biomass under conditions essentially ensuring the accumulation of metabolite, and d) harvesting the biomass containing the metabolite and / or the medium containing the metabolite.
L'étape a) de production de biomasse met en oeuvre l'ensemble des techniques connues et développées dans l'art antérieur pour la production optimale de biomasse alguale. Step a) of biomass production implements all of the techniques known and developed in the prior art for the optimal production of algal biomass.
Ainsi, la culture des microalgues pourra être réalisée en mode continu ou discontinu. Le milieu de culture classiquement utilisé pour la production de biomasse algale, en conditions de photoautotrophie, pourra être enrichi à l'aide de formulations d'engrais solides ou liquides, commercialisées pour des usages horticoles, à condition d'être utilisées aux doses optimales. Thus, the culture of microalgae can be carried out in continuous or discontinuous mode. The culture medium conventionally used for the production of algal biomass, under photoautotrophic conditions, can be enriched with the aid of solid or liquid fertilizer formulations, marketed for horticultural uses, provided that they are used in optimal doses.
D'une manière avantageuse, la biomasse concentrée obtenue dans l'étape b) représente moins de 1/5 du volume de la culture dans l'étape a). Advantageously, the concentrated biomass obtained in step b) represents less than 1/5 of the volume of the culture in step a).
Préférentiellement, cette biomasse concentrée représente entre 1/10 et 1/20 du volume de la culture dans l'étape a). Preferably, this concentrated biomass represents between 1/10 and 1/20 of the volume of the culture in step a).
Selon la présente invention, la concentration opérée dans étape b) sera effectuée avantageusement par floculation des microalgues. According to the present invention, the concentration carried out in step b) will advantageously be carried out by flocculation of the microalgae.
De préférence, la floculation est effectuée par augmentation de l'alcalinité du milieu de culture de l'étape a). Preferably, the flocculation is carried out by increasing the alkalinity of the culture medium from step a).
On fait de préférence varier l'alcalinité du milieu après arrêt de la carbonatation durant 2 à 4 heures en période lumineuse. The alkalinity of the medium is preferably varied after stopping the carbonation for 2 to 4 hours during the light period.
Cette augmentation de l'alcalinité pourra être obtenue par l'addition de soude et/ou de phosphate de sodium. This increase in alkalinity can be obtained by the addition of soda and / or sodium phosphate.
Une attention particulière devra être apportée à cette étape afin que la floculation par modification de l'alcalinité n'entraîne pas une dégradation des microalgues à des pH trop élevés. Particular attention must be paid to this step so that flocculation by changing the alkalinity does not lead to degradation of microalgae at too high pH.
On pourra toutefois employer comme soude ou comme phosphate de sodium des produits destinés à l'usage agricole, particulièrement économiques pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. However, it is possible to use as soda or as sodium phosphate products intended for agricultural use, which are particularly economical for implementing the process according to the invention.
Un autre moyen préférentiel de floculation dans le procédé selon la présente invention consiste à employer des microalgues autofloculantes, et/ou à ajouter des agents floculants chimiques, biologiques et leur mélanges. Another preferred means of flocculation in the process according to the present invention consists in using self-flocculating microalgae, and / or in adding chemical, biological flocculating agents and their mixtures.
De tels agents sont connus de l'art antérieur, comme par exemple des polysaccharides tels que le chitosan ou des sels métalliques tels que le perchlorure de fer. Such agents are known from the prior art, such as for example polysaccharides such as chitosan or metal salts such as iron perchloride.
Bien entendu, l'homme du métier saura optimiser les conditions de floculation, en particulier par combinaison des différents moyens décrits ci-dessus. Of course, those skilled in the art will be able to optimize the flocculation conditions, in particular by combining the various means described above.
Suivant le procédé selon la présente invention, les algues floculées sont ensuite concentrées par des moyens appropriés de décantation statique ou mécanique ou par des moyens appropriés de flottation. According to the process according to the present invention, the flocculated algae are then concentrated by suitable means of static or mechanical decantation or by suitable means of flotation.
D'une manière préférentielle, on emploiera un décanteur cylindro-conique à flux vertical dont la pente de la partie conique est comprise entre 50 et 700 pour une vitesse ascentionnelle moyenne comprise entre 1,5 et 2,5 m/h. Preferably, a cylindrical-conical settling tank with vertical flow will be used, the slope of the conical part of which is between 50 and 700 for an average rising speed of between 1.5 and 2.5 m / h.
D'une manière avantageuse, l'accumulation de métabolites dans l'étape c) est obtenue par forçage physiologique. Advantageously, the accumulation of metabolites in step c) is obtained by physiological forcing.
En fonction du métabolite recherché, le forçage physiologique sera induit par différents paramètres, notamment la température de culture, l'exposition à la lumière, ou l'enrichissement du milieu de culture en différents composés inducteurs. Par composé inducteur, on entend tout composé chimique ou biologique qui, lorsqu'additionné au milieu de culture modifie le métabolisme des microalgues favorisant la production de métabolites. Les composés inducteurs sont, par exemplaes des sources azotées telles que nitrate, ammonium ou urée, des sources d'oligoéléments tel le molybdate de sodium, des sources d'hormones telles que certaines auxines ou des sources d'acides et/ou de bases pour réguler le pH à une valeur optimale. Depending on the metabolite sought, physiological forcing will be induced by different parameters, in particular the culture temperature, exposure to light, or the enrichment of the culture medium with different inducing compounds. By inducing compound is meant any chemical or biological compound which, when added to the culture medium, modifies the metabolism of microalgae promoting the production of metabolites. The inducing compounds are, for example, nitrogen sources such as nitrate, ammonium or urea, sources of trace elements such as sodium molybdate, sources of hormones such as certain auxins or sources of acids and / or bases for regulate the pH to an optimal value.
La durée du forçage physiologique, fonction de la nature des métabolites recherchés et de l'espèce de microalgue cultivée, est de préférence comprise entre 2 et 15 heures. The duration of physiological forcing, depending on the nature of the metabolites sought and the species of microalga cultivated, is preferably between 2 and 15 hours.
Enfin, après avoir assuré l'accumulation de métabolites, la biomasse et/ou le milieu contenant les métabolites seront récoltés par centrifugation et/ou filtration
Dans ce dernier cas, on emploiera préférentiellement une filtration de type filtration tangentielle.Finally, after ensuring the accumulation of metabolites, the biomass and / or the medium containing the metabolites will be harvested by centrifugation and / or filtration.
In the latter case, a tangential filtration type filtration will preferably be used.
On constatera donc que le procédé selon la présente invention s'applique aussi bien à la production de métabolites secrétés dans les microalgues qu'à celle de métabolites excrétés dans le milieu de culture. It will therefore be seen that the method according to the present invention applies both to the production of secreted metabolites in microalgae and to that of metabolites excreted in the culture medium.
La pâte alguale obtenue comprend alors entre 20 et 25% de matière sèche. The algal paste obtained then comprises between 20 and 25% of dry matter.
Après sa récolte, la biomasse enrichie peut éventuellement être conditionnée, en particulier par congélation, cette dernière pouvant être effectuée sous vide ou sous atmosphère contrôlée. After its harvest, the enriched biomass can optionally be conditioned, in particular by freezing, the latter being able to be carried out under vacuum or under a controlled atmosphere.
Le procédé selon la présente invention s'applique indifféremment aux microalgues d'origine marine, d'eau douce ou terrestre, procaryotes ou eucaryotes. The method according to the present invention applies equally to microalgae of marine, fresh or terrestrial water, prokaryotic or eukaryotic origin.
Les exemples ci-après décrivent des modes de réalisation préférentiels du procédé selon la présente invention, sans toutefois chercher à en limiter la portée. The examples below describe preferential embodiments of the method according to the present invention, without however seeking to limit its scope.
Exemple 1 : Production de phycoérythrine par culture de Porphyridum
cruetum, Rhodosorus marinus ou Rhodella violacea.Example 1 Production of Phycoerythrin by Culture of Porphyridum
cruetum, Rhodosorus marinus or Rhodella violacea.
Les algues sont cultivées de manière classique et pré-récoltées par floculation/décantation. Elles sont transférées dans un bac de forçage physiologique permettant des transferts optimaux de matière et de lumière. The algae are cultivated in a conventional manner and pre-harvested by flocculation / decantation. They are transferred to a physiological forcing tank allowing optimal transfers of matter and light.
L'induction de la synthèse de phycoérythrine est favorisée par un éclairement de l'ordre de 50 ,uE.cm2.s 1 et un enrichissement en nitrate (2g.l-1) et heptamolybdate de sodium (25 mg.l 1) pour des biomasses de quelques g.l 1 (poids secs). La récolte finale a lieu après 3 heures d'incubation.The induction of phycoerythrin synthesis is favored by an illumination of the order of 50, uE.cm2.s 1 and an enrichment in nitrate (2g.l-1) and sodium heptamolybdate (25 mg.l 1) for biomass of a few gl 1 (dry weight). The final harvest takes place after 3 hours of incubation.
Exemple 2 : Production de -carotène par culture de Dunallella salina.Example 2: Production of -carotene by culture of Dunallella salina.
La production de biomasse de cette algue est optimale à une salinité de 60%o. Les algues sont pré-récoltées par floculation (en accroissant l'alcalinité du milieu) et décantation. Elles sont transférées dans un bac de forçage physiologique permettant des transferts optimaux de matière et de lumière. The biomass production of this alga is optimal at a salinity of 60% o. The algae are pre-harvested by flocculation (by increasing the alkalinity of the medium) and decantation. They are transferred to a physiological forcing tank allowing optimal transfers of matter and light.
La carotenogenèse est induite par augmentation de la salinité du milieu ( 100%o) et un éclairement supérieur à 2000 pE. cm 2.s 1. Après 12 heures d'incubation les algues sont récoltées et congelées sous vide avant extraction. Carotenogenesis is induced by an increase in the salinity of the medium (100% o) and an illumination greater than 2000 pE. cm 2.s 1. After 12 hours of incubation the algae are harvested and frozen under vacuum before extraction.
Exemple 3 : Production d'acide eicosapentaénoique par culture de
Phaeodactylum tricornutum.Example 3: Production of eicosapentaenoic acid by culture of
Phaeodactylum tricornutum.
Les algues sont cultivées dans un milieu de culture constitué d'eau de mer enrichie, en particulier, en silice. Les diatomées sont pré-récoltées par floculation (induite par accroissement de l'alcalinité du milieu) et décantation. Elles sont transférées dans un bac de forçage physiologique où elles sont soumises à une température inférieure de 10 C à celle des cultures initiales. Après 6 heures d'incubation sous agitation, les microalgues sont récoltées sous forme de pâte alguale. The algae are cultivated in a culture medium consisting of seawater enriched, in particular, with silica. Diatoms are pre-harvested by flocculation (induced by increasing the alkalinity of the medium) and decantation. They are transferred to a physiological forcing tank where they are subjected to a temperature 10 C lower than that of the initial cultures. After 6 hours of incubation with shaking, the microalgae are harvested in the form of algal paste.
En comparaison avec la technique antérieure, la présente invention permet de produire des microalgues en conditions semi-contrôlées tout en assurant, à moindre frais, leur qualité biochimique. D'une part, la mise en oeuvre d'un procédé de récolte impliquant une concentration par floculation-décantation, floculation-flottation ou floculation-filtration permet de réduire les coûts liés à cette opération, en réduisant d'un facteur 10 à 20 les volumes à traiter, donc la dimension et la durée de fonctionnement des appareils. D'autre part, la pratique du forçage physiologique sur des volumes réduits de cultures concentrées et pour des durées plus courtes permet également de réduire les coûts de sa mise en oeuvre. In comparison with the prior art, the present invention makes it possible to produce microalgae under semi-controlled conditions while ensuring, at low cost, their biochemical quality. On the one hand, the implementation of a harvesting process involving concentration by flocculation-settling, flocculation-flotation or flocculation-filtration makes it possible to reduce the costs associated with this operation, by reducing by a factor of 10 to 20 volumes to be treated, therefore the size and duration of operation of the devices. On the other hand, the practice of physiological forcing on reduced volumes of concentrated cultures and for shorter durations also makes it possible to reduce the costs of its implementation.
La présente invention concerne donc également un procédé de forçage physiologique de microalgues pour la suraccumulation de métabolites, caractérisé en ce que le forçage est effectuée à un volume de culture inférieur à 1/5, de préférence compris entre 1/10 et 1/20 du volume usuel de culture des microalgues. The present invention therefore also relates to a method of physiological forcing of microalgae for the overaccumulation of metabolites, characterized in that the forcing is carried out at a culture volume of less than 1/5, preferably between 1/10 and 1/20 of the usual volume of microalgae culture.
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