Les micro-algues, pdf - Genève, villes et champs

SOMMAIRE
INTRODUCTION……………………………………………………………………………………..2
I.
Qu'est ce qu'une micro-algue? ..................................................................................................... 4
A.
Les micro-algues ................................................................................................................... 4
a)
Définition et caractéristiques ............................................................................................. 4
b)
Milieu de vie ...................................................................................................................... 5
B.
Les micro-algues: une usine photosynthétique ..................................................................... 5
a)
La photosynthèse ............................................................................................................... 6
b)Rendement photosynthétique des micro-algues ....................................................................... 7
II. Des micro-algues pour une production d'algo-carburants ........................................................... 7
A.
Production de lipides ............................................................................................................. 7
a)
Localisation de la production des lipides........................................................................... 7
b)
Mécanisme de la lipogenèse et lipides produits ................................................................ 9
B.
Techniques de mise en culture............................................................................................. 11
a)
Différents modes de production de biomasse micro-algale ............................................. 11
b)
Influence du milieu .......................................................................................................... 14
c)
Facteurs permettant d’augmenter la synthèse lipidique................................................... 16
C.
Extraction ............................................................................................................................ 19
a)
Protocoles d'extraction des lipides ................................................................................... 19
b)
La trans-estérification ...................................................................................................... 20
D.
Expérimentation au laboratoire Agronomie et Environnement (LAE) de l’ENSAIA ........ 21
III.
La filière micro-algues, la recherche et les projets en cours ................................................... 23
A.
Projets et réflexions au niveau local: ................................................................................... 23
a)
Etude mandatée par le Val de Lorraine, Conseil de Pays ............................................... 23
b)
Projet Mines en Lorraine ................................................................................................. 24
B.
L’IFREMER et le projet SHAMASH au cœur du développement de la technologie des
micro-algues ................................................................................................................................... 26
a)
Le projet SHAMASH ...................................................................................................... 26
b)
L’IFREMER, l’expert français des micro-algues ............................................................ 27
C.
Autres projets dans le Monde .............................................................................................. 28
IV.
Faisabilité pour le futur ........................................................................................................... 29
A.
Limites rencontrées ............................................................................................................. 29
B.
Autres valorisations. ............................................................................................................ 30
a)
Industries alimentaires ..................................................................................................... 30
b)
Utilisations agronomiques ............................................................................................... 30
c)
Alimentation humaine ..................................................................................................... 31
d)
Energie et environnement ................................................................................................ 33
CONCLUSION……………………………………………………………………………………..34
REMERCIEMENTS………………………………………………………………………………..35
SOURCES…………………………………………………………………………………………..36
ANNEXES………………………………………………………………………………………….39
1
INTRODUCTION
Actuellement, le réchauffement climatique dû notamment à l'utilisation massive d'énergies
fossiles, responsable de fortes émissions d’un gaz à effet de serre, le CO2, est un problème mondial.
Si la prise de conscience de l’opinion publique est réelle, les politiques mondiales ont du mal à se
mettre d’accord sur les mesures à mettre en place pour limiter les émissions de gaz à effet de serre.
En France, l’Etat, après avoir envisagé une taxation sur les émissions de CO2, a abandonné début
2010 ce projet de loi, faute de consensus actuellement au niveau européen, voire mondial sur ce
type de mesure. Des mesures d’incitation sont actuellement en place afin de promouvoir des nouvelles technologies plus respectueuses de l'environnement, tandis que des industriels et des scientifiques cherchent de nouvelles solutions d’une part pour limiter l'émission de CO2 dans l'atmosphère
et d’autre part pour limiter l'utilisation massive d'énergies fossiles au profit de nouvelles sources
d'énergies renouvelables moins polluantes.
En effet, il faut savoir que l’Europe dépend aujourd’hui d’environ 50% d’approvisionnements extérieurs pour satisfaire sa consommation d’énergie. Elle est le plus gros importateur de pétrole (19%
de la consommation mondiale) avec le secteur du transport qui consomme 67% de la demande en
pétrole.
Dans ce contexte de recherche de nouvelles sources d’énergies, les biocarburants de 1ère génération ont fait leur apparition sur le marché ces dernières décennies. Si on interroge le commun
des mortels sur la définition d’un biocarburant, on peut s’attendre à entendre parler de carburant
« vert » ou de pétrole « vert ». Cette idée s’explique par le fait que les biocarburants sont des
sources liquides d’énergies renouvelables issues de matières végétales qui tirent leurs énergies de la
photosynthèse. Ces biocarburants dits de 1ère génération correspondent à l’huile végétale extraite
des espèces oléagineuses (colza, palmier à huile…) et à l’alcool issu de la fermentation des tissus
riches en sucre de certaines espèces cultivées. Les différentes études sur ces biocarburants de 1ère
génération mettent en évidence que ces derniers présentent de nombreuses limites tant d’un point de
vue environnemental que sociétal (pollution, déforestation, crise alimentaire, …).
Face aux limites notamment en terme de rendement de ces biocarburants de 1ère génération,
les biocarburants de 2ème génération, qui utilisent la totalité de la biomasse constituée principalement de cellulose, d’hémicellulose et de lignine (biomasse ligno-cellulosique), ne sont pas plus
prometteurs, victimes de blocages techniques (technologie très coûteuse) et de problèmes environnementaux (déforestation, appauvrissement des sols en matière organique, …).
Ainsi les biocarburants de 3ème génération, issus des micro-algues, constituent actuellement
une bonne alternative car ces organismes (i) présentent un rendement important en lipides (d'un
2
point de vue théorique 30 à 100 fois plus important que les oléagineux terrestres), (ii) ne sont pas à
l’origine de concurrence d’usage vis-à-vis des terres agricoles et (iii) valorisent de manière très efficace le CO2.
Aussi dans les rêves les plus fous de certains chercheurs, ces organismes microscopiques
encore mal connus, seraient une usine photosynthétique potentiellement efficace pour le recyclage
du CO2 et la production de biocarburants. Qu’en est-il aujourd’hui de cette potentialité?
Nous avons tenté de répondre à cette problématique, en lien avec le Conseil de Pays du Val
de Lorraine qui s’interroge sur les potentialités des micro-algues notamment dans un contexte de
développement local du territoire. Ce travail nous a permis de réaliser une expérimentation (passage
du théorique à la pratique) mais surtout d'avoir un premier contact avec le monde professionnel et
celui de la recherche.
3
I.
Qu'est ce qu'une micro-algue?
A. Les micro-algues
a) Définition et caractéristiques
Les micro-algues sont des organismes microscopiques unicellulaires. On utilise le terme
«micro» car la taille d'une micro-algue varie de quelques micromètres à une centaine de
micromètres. Pour les étudier, il est nécessaire de les observer au microscope optique ou au
microscope électronique, ce qui permet de voir plus de détails, en particulier relatifs à leur
morphologie. D’un point de vue taxonomique, les micro-algues appartiennent à différentes familles
qui ont chacune leurs propres caractéristiques, mais elles ont aussi des points communs en
particulier dans leur ultra structure et leur métabolisme. Les organismes photosynthétiques sont
regroupés en trois catégories distinctes: les bactéries photosynthétiques, les algues et les plantes
terrestres. Le terme algue regroupe des individus chlorophylliens vivant essentiellement dans l'eau
et qui ne sont pas des embryophytes. Les contraintes du milieu aquatique ont conduit à des
convergences structurales et physiologiques comme l’existence d’une paroi souple. Les organismes
ainsi regroupés sont pourtant bien éloignés phylogénétiquement: comme les Rhodobiontes (algue
rouge), Chlorobiontes, Straménopiles (algue brune), Haptophytes. Algues rouges et algues brunes
sont des groupes monophylétiques c'est-à-dire se reconnaissent comme partenaires sexuels et
donnent une descendance féconde, par contre les algues vertes sont paraphylétiques et donc des
groupes dont l'ancêtre commun est aussi partagé avec d'autres groupes.(voir annexe 1)
Une micro-algue est un organisme photosynthétique unicellulaire délimitée par une membrane
plasmique, qui contient au sein de son cytoplasme de nombreux organites nécessaires à son fonctionnement et à son métabolisme : chloroplastes, amyloplastes, oléoplastes, mitochondries et son
noyau entouré de son enveloppe.
4
Les micro-algues peuvent vivre sous forme libre ou en colonie. Leur cellule unique et
indifférenciée assure toutes les fonctions. Ce sont des micro-organismes appartenant à deux
groupes: les eucaryotes et les procaryotes. Les micro-algues eucaryotes possèdent une structure
cellulaire végétale classique compartimentée, avec ou sans paroi cellulosique, et, avec des pigments
photosynthétiques renfermés dans des plastes. Les micro-algues procaryotes, appelées aussi
cyanobactéries, ont une structure bactérienne classique sans compartiment, les pigments
photosynthétiques étant contenus dans des membranes lamellaires.
En ce qui concerne la multiplication des micro-algues, elles ne grandissent pas. Par contre,
certaines d'entre elles, comme les diatomées, peuvent voir leur taille diminuer. Comme toutes les
micro-algues, elles colonisent leur milieu en se divisant par mitose, rapidement et activement, si les
conditions physico-chimiques et nutritives sont favorables. Lors de cette reproduction asexuée, leur
taille diminue jusqu'à ce qu'elles ne puissent plus se diviser.
b) Milieu de vie
Les micro-algues vivent dans les milieux fortement aqueux. Il existe 1100 genres de microalgues dont 14000 espèces d'eau douce et 14000 d'eau salée. Ce sont des êtres photosynthétiques,
c'est-à-dire qu'elles sont capables de produire de la matière organique à partir d'éléments minéraux
grâce aux processus d'assimilation photosynthétique. Dès lors qu'elles disposent de la lumière, elles
vont assimiler les éléments minéraux nutritifs comme le potassium, le sodium, le calcium et le magnésium, des oligo-éléments (molybdène, zinc, cuivre) et le CO2 dissous dans l'eau pour produire
leurs constituants cellulaires. Dans leur cytoplasme, elles possèdent des chloroplastes, organites
renfermant des pigments chlorophylliens. Ces pigments assurent le captage de l'énergie lumineuse,
qui est ensuite utilisée pour synthétiser la matière organique nécessaire à la cellule, à partir des éléments minéraux nutritifs. Les miro-algues sont donc des êtres autotrophes par photosynthèse mais il
est possible que certaines d'entre elles, comme les euglènes, deviennent hétérotrophes lorsqu'elles
sont placées dans des conditions défavorables de survie. Par exemple, si des micro-algues sont placées dans le noir, elles perdent leurs chloroplastes et deviennent dépigmentées : elles vont s'alimenter alors grâce à la matière organique présente dans le milieu. Notons que certaines micro-algues, en
majorité les cyanobactéries filamenteuses, sont capables de fixer l'azote de l'air, grâce à des structures spécialisées appelées hétérocystes, qui contiennent une enzyme la nitrogénase. Cet hétérocyste
n'est pas capable de photosynthèse mais il est en relation avec les cellules somatiques adjacentes qui
lui fournissent les matières carbonées en échange de composés azotés.
B. Les micro-algues: une usine photosynthétique
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a) La photosynthèse
Interception de l’énergie lumineuse
L'énergie lumineuse constitue l'apport initial permettant l'assimilation du carbone et d'autres
éléments par les êtres vivants chlorophylliens lors de la photosynthèse: synthèse de matière
organique à partir de la lumière. La photosynthèse se déroule dans les chloroplastes des tissus
chlorophylliens comme le mésophylle. Elle commence par une phase photochimique dans laquelle
un réducteur fort (NADPH) et de l'énergie sous forme d'ATP (adénine tri phosphate) sont élaborés.
L'énergie lumineuse absorbée par les photosystèmes assure un transfert d'électrons fournis par l'eau.
Puis la phase chimique comporte une carboxylation catalysée par la Rubisco qui consiste à réduire
le CO2. Dans cette phase ce sont les NADPH et ATP formés précédemment qui sont utilisés.
La réduction du CO2
Les micro-algues contiennent différents pigments essentiels parmi lesquels la chlorophylle. Il s’agit
d’une métalloprotéine c'est à dire un noyau tétrapyrrolique substitué et centré sur un ion métallique.
Elle possède une longue chaîne hydrophobe ce qui augmente sa solubilité dans le milieu apolaire de
la membrane. Son rôle est d'absorber l'énergie lumineuse puis la convertir en énergie chimique
(ATP et NADPH, H+). Chez les micro-algues, on trouve de la chlorophylle avec une concentration
supérieure à 10 µg/l. Elles contiennent également la lutéine en forte concentration qui est un
pigment caroténoïde, fréquemment utilisé en pharmacologie pour soigner les maladies oculaires du
vieillissement.
Les réactions photochimiques de la photosynthèse vont permettre la réduction du CO2 et former les
glucides. Ce recyclage est réalisé grâce au cycle de Calvin Benson.
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b)Rendement photosynthétique des micro-algues
Le choix des micro-algues pour faire du biocarburant est basé sur plusieurs critères, dont le
rendement photosynthétique. En effet, 1 g de biomasse algale produit environ 1 g de glucides par
hectare, soit, pour l'ensemble de la végétation terrestre, un gain annuel d'environ 73 milliards de
tonnes de carbone, ce qui équivaut à vingt fois la production mondiale de charbon, par contre les
micro-algues sont d'une plus grande efficacité photosynthétique soit 10 à 100 fois plus que les
plantes.
L’utilisation des micro-algues pour la production d’algocarburants nécessite à la fois une
culture intensive d’algues et une maitrise des conditions de culture pour garantir un rendement en
biomasse optimum et une production de lipide suffisamment élevée. Durant notre projet pro, nous
avons donc du nous pencher sur les modes et les paramètres de culture afin de comprendre certains
enjeux et limites de l’utilisation d’algues pour la production de biocarburants.
II.
Des micro-algues pour une production d'algo-carburants
A. Production de lipides
a) Localisation de la production des lipides
Comme chez les végétaux terrestres, certaines espèces de micro-algues peuvent accumuler, dans
certaines conditions de culture, le carbone fixé, sous forme de lipides appelés triglycérides. Les
lipides stockés constituent alors une réserve de carbone pour la micro-algue. En conditions normales, ces teneurs restent faibles, comprises entre 20 et 50%, et les lipides sont principalement
constitués de phospholipides et de glycolipides (constituants des membranes). Cependant certaines
espèces sont capables d'accumuler jusqu'à 80 % de leur poids sec en lipides (Bigogno et al., 2002 ;
Chisti, 2007) . Ainsi, les familles d'algues suivantes sont les plus productrices de lipides : Chlorophycées (ex : Chlorella vulgaris), Chrysophycées (ex : Diatomées) et Bacillariophycées (ex : Chaetoceros calcitrans).
Le stockage de lipides résulte d'un déséquilibre transitoire entre le flux de carbone issu de la
photosynthèse et le flux d'autres éléments nécessaires à la croissance (phosphore ou azote). La cellule, qui est carencée en l'un de ces éléments, n'interrompt pas immédiatement l'acquisition du CO 2
nécessaire à la photosynthèse, alors qu'elle ne peut pas l'utiliser pour construire des protéines
puisque, par exemple, l'azote est manquant. Elle doit donc stocker ce flux, et chez certaines espèces,
ce stockage a lieu principalement sous forme de lipides.
7
Ainsi, on observe chez ces espèces de micro-algues des organites particuliers : les oléoplastes.
Les oléoplastes sont des organites spécifiques des cellules végétales spécialisés dans le stockage des
lipides, essentiellement sous forme de plastoglobules (gouttelettes lipidiques sphériques de triglycérides synthétisés à partir d'acides gras venant des chloroplastes). Ce sont des plastes sans pigments,
et plus spécifiquement des leucoplastes. Ils sont souvent associés aux membranes des thylakoïdes.
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b) Mécanisme de la lipogenèse et lipides produits
La biosynthèse des acides gras et des lipides répond à deux impératifs dans la cellule :
- fourniture des acides gras nécessaires à la synthèse des lipides de structure ;
- mise en réserve de l'énergie.
La biosynthèse des acides gras se fait dans le cytosol alors que leur dégradation par ß-oxydation
se fait à l’intérieur des mitochondries. Toute biosynthèse comme la synthèse des lipides nécessite:
-de l'énergie apportée par l'ATP
-du pouvoir réducteur, fourni sous forme de NADPH,H+ provenant essentiellement du fonctionnement de la voie des pentoses phosphates
-des précurseurs, le seul précurseur de la synthèse des acides gras est l'acétyl-CoA.
L'acétyl-CoA provient de :
- la ß-oxydation des acides gras (intramitochondriale),
- de l'oxydation du pyruvate (mitochondriale),
- de la dégradation oxydative des acides aminés dits cétogènes.
L'acétyl-CoA, quelque soit son origine, est formé dans la mitochondrie. Pour servir de précurseur
dans le cytosol à la synthèse des acides gras, il doit être exporté de la matrice mitochondriale vers le
cytosol. Seul le radical acétyle est transporté à travers la membrane interne par le système citrate.
LE CYTOSOL
SYNTHESE DES TRIGLYCERIDES :
Les triglycérides appartiennent à la famille des lipides et sont constitués de trois acides gras et un
glycérol.
Leur synthèse comporte trois étapes : formation de l'acide phosphatidique, déphosphorylation
de ce dernier en diglycéride et estérification de la dernière fonction alcool du glycérol.
Le L-glycérol provient de la réduction de la 3-phosphodihydroxyacétone formée au cours de
la
glycolyse.
La
réaction
est
catalysée
par
la
3-phosphoglycérol
déshydrogénase.
P-O-CH2-CO-CH2OH + NADH, H+-->P-O-CH2-CHOH-CH2OH + NAD+
1- Formation de l'acide phosphatidique
Deux acyl-CoA réagissent sur le glycérol 3-P pour donner l'acide phosphatidique.
Les fonctions alcool primaire et secondaire du glycérol-P sont estérifiées grâce à l'action de l'acyl
transférase.
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2- Formation du diacylglycérol ou diglycéride
C'est le résultat du départ du groupement phosphate de l'acide phosphatidique. La réaction est catalysée par une hydrolase appelée phosphatidate phosphatase.
3- Formation du triacylglycérol ou triglycéride
Le diacylglycérol réagit avec un acyl-CoA pour donner le triglycéride. Tous les acides gras peuvent
être différents. Une acyl-CoA transférase intervient.
Les triacylglycérols sont libérés dans le cytosol sous forme de gouttelettes lipidiques.
LES TYPES DE LIPIDES PRODUITS :
Les micro-algues marines renferment une grande variété d'acides gras. La composition est
cependant homogène au sein d'une même classe d'algues. Certains acides gras sont des descripteurs
spécifiques de communautés phytoplanctoniques et la composition en acides gras des espèces peut
présenter un intérêt taxonomique.
Certaines micro-algues ont des propriétés particulièrement intéressantes : une partie du CO2
incorporée dans leur biomasse à l'aide de l'énergie solaire est transformée en huile. Ainsi, certaines
espèces peuvent contenir jusqu'à 80 % de leur masse en lipides.
On remarque que le contenu maximum en lipides et leur production varient selon les espèces de
micro-algues. Ainsi les micro-algues marines ont en moyenne un contenu maximum en lipides su10
périeur à celles d'eau douce. Cependant, on remarque que la production de lipides par jour est plus
importante chez les espèces d'eau douce. On remarque qu’il n'y a pas de relation de proportionnalité
entre le contenu maximum en lipides et la production de lipides journalière chez les micro-algues;
en effet, certaines espèces produisent beaucoup de lipides mais n'ont pas un stockage suffisant face
à leur production.
Les micro-algues d'eau douce : Chlorella vulgaris, Scenedesmus sp, Bottytricus braunii sont
constituées principalement des acides gras suivants : acide palmitique, palmitoléique, stéarique,
oléique et linoléique. Les acides gras ont plusieurs rôles importants pour la cellule : métabolique et
structural. La composition en acides gras de ces phospholipides donne aux membranes des propriétés physiques (élasticité, viscosité) particulières.
B. Techniques de mise en culture
a) Différents modes de production de biomasse micro-algale
Les deux principales méthodes de production à grande échelle de biomasse micro-algale sont les
bassins et les photobioréacteurs.
Les cultures d’algues à l’air libre représentent 10000 tonnes par an de matière sèche. A grande
échelle, la production de masse se fait principalement à l'aide de bassins de type « raceway », de
toutes tailles (entre 1000 et 5000 m²), en eau douce ou salée. Ils sont constitués de bassins clos, de
quelques dizaines de cm de profondeur, circulaires ou formant des boucles imbriquées les unes
contre les autres.
Ces bassins sont les plus utilisés car ils permettent d’obtenir les rendements les plus importants
en ce qui concerne les cultures à l’air libre. L’investissement qu’ils représentent et le besoin en main
d’œuvre qualifiée est moins important que pour les autres technologies de type photobioréacteurs.
Mais même s’ils sont largement utilisés dans le monde, les bassins de type « raceway » présentent
des inconvénients : étant à ciel ouvert, il est difficile de contrôler les différents paramètres de
culture. De plus, ces systèmes sont sensibles à la contamination, soit par des espèces locales qui
vont se développer et remplacer l’espèce cultivée (bactéries), soit par des prédateurs (crustacés, ...).
Pour éviter ces problèmes, seules des espèces extrêmophiles poussant dans des milieux alcalins
(comme Spirulina) ou hyper salins (comme Dunaliella salina en Israël) sont cultivées en plein air.
Les bassins peuvent aussi être bâchés. Pour toutes ces raisons, les bassins ne permettent qu’une
production extensive (la productivité est d’environ 10 à 30 t/ha/an).
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Bassins raceway
Les micro-algues peuvent être également cultivées en bioréacteurs (enceintes dans lesquelles
se déroulent des interactions biologiques, utilisées pour la production de biomasse, d'un métabolite,
pour la conversion d'une molécule,...). Dans le cas des algues, on utilise des photobioréacteurs,
construits dans des matériaux transparents laissant passer la lumière et autorisant les réactions de
photosynthèse. L’éclairage se fait à partir de la lumière solaire ou artificielle avec des tubes
fluorescents. Il peut être optimisé avec un certain angle d'inclinaison du réacteur.
Le principal avantage de cette technique est qu’elle permet de contrôler les conditions de culture
(distribution et évacuation du CO2, de l’O2, contrôle du pH, de la température,…), et aussi de
maintenir la stérilité de la culture.
Les productivités atteignent environ 100 t/ha/an (alors que l’on estime que la limite
thermodynamique de conversion photosynthétique est de 400 t/ha/an).
Les géométries des photobioréacteurs sont très variables :
-Les photobioréacteurs plats sont constitués de deux panneaux parallèles transparents, avec une
mince couche de culture circulant entre les deux. Souvent, ces réacteurs, de petits volumes, sont peu
utilisés dans le commerce et l'industrie, mais sont dominants pour les essais en laboratoire.
-Les photobioréacteurs à géométrie cylindrique sont constitués d’un ou de plusieurs tubes
transparents (en verre ou en plastique), agencés horizontalement ou verticalement, ou bien enroulés
en hélice, dans lesquels circule le milieu de culture. Ces réacteurs peuvent contenir de 0,5 à 15 L
pour ceux utilisés en laboratoire, de 20 à 1000L pour ceux servant à des tests en vue de
l’industrialisation, et plus de 1 000 000 L pour ceux utilisés en production industrielle. Parmi ces
derniers types de réacteurs, les plus répandus sont ceux de type colonne. Il existe aussi des
photobioréacteurs de type tubulaire orientés horizontalement ou verticalement.
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Photobioréacteurs plats, tubulaires, en colonnes
Notre visite au laboratoire de l’Ifremer (évoquée plus loin) nous a permis d’observer
directement des photobioréacteurs tubulaires et en colonne. Ceux-ci fonctionnent en continu et
peuvent être réglés de manière à contrôler un ou plusieurs paramètres à la fois (jusqu’à six
paramètres) comme l’intensité lumineuse, les nutriments, le pH, la température, etc…
Photobioréacteurs du laboratoire d’Ifremer
En terme de fonctionnement, les réacteurs peuvent soit fonctionner en continu ou en
discontinu. De manière générale, les réacteurs fonctionnent en continu, c’est à dire qu’ils sont
alimentés en permanence avec du milieu frais, tandis qu’une certaine quantité de biomasse produite
est soutirée avec le même débit (pour garder le volume du réacteur constant). Théoriquement,
aucune concentration ne varie au cours du temps dans le réacteur. Dans le cas d’un réacteur
fonctionnant en discontinu : il faut alors mettre au départ une quantité de nutriments définie dans le
milieu de culture ainsi qu’une certaine quantité de micro-algues que l’on va laisser se multiplier
(leur concentration augmente dans le temps tandis que les concentrations en nutriments diminuent)
jusqu’à ce qu’elles atteignent une phase stationnaire de croissance, qui témoigne de l’épuisement du
milieu en éléments nutritifs. Le réacteur est finalement vidangé et nettoyé avant de démarrer un
autre cycle. Les rendements sont cinq fois plus importants en continu qu’en discontinu d’après
Jean-Paul Cadoret, chercheur au laboratoire d’Ifremer.
13
Mais ces systèmes présentent plusieurs inconvénients. En effet, l’accumulation d'O2, déchet
de la photosynthèse, peut devenir toxique, du fait de l’augmentation de pH qui en résulte. Les
rayonnements UV passant à travers les parois transparentes des réacteurs, ainsi que l’élévation de
température, peuvent également être fatals. De plus, il est nécessaire d’avoir un système d'agitation
par pompe, hélice, turbine, bullage magnétique, circulation forcée ... pour limiter les dépôts de la
biomasse sur la paroi (ce qui a pour conséquence de diminuer la productivité). Enfin, ces techniques
sont plus évoluées et donc leur coût de revient est beaucoup plus élevé que les cultures en bassin.
Dans le cas de notre projet, nous avons conduit une expérience de mise en culture de deux
souches de micro-algues appartenant à deux genres différents. En raison des contraintes rencontrées
et des moyens dont nous disposions, les algues ont été placées en flacon de type Erlenmeyer sur une
table agitante dans un phytotron, ce qui équivaut à une culture en système clos de type bioréacteur
en discontinu.
b) Influence du milieu
La croissance d'une culture de micro-algues est contrôlée par un très grand nombre de
facteurs dont les plus importants sont la lumière (intensité et photopériode), le pH, les nutriments,
les concentrations en CO2 et O2 et l'état physiologique. De ce fait, la recherche d’une production de
biomasse algale doit passer par une modélisation de la croissance au cours du temps, en fonction de
différents paramètres d'étude.
Modélisation de la cinétique de croissance algale :
La maîtrise de la cinétique de croissance est également importante. Les micro-algues sont capables
de se multiplier de manière rapide dans des conditions favorables. Leur croissance en culture suit un
développement en 4 phases:
Une première phase de latence, qui se traduit par une adaptation aux nouvelles conditions de
culture.
Une croissance exponentielle, où les cellules se multiplient au maximum de leur capacité. Elles
présentent au cours de celle-ci leur meilleur profil nutritionnel.
Une phase stationnaire durant laquelle les micro-algues ont épuisé un ou plusieurs éléments
nutritionnels ou ont relâché des composés limitant la multiplication cellulaire.
Une décroissance rapide, où la culture vient à mourir du fait de la pollution du milieu; on parle de «
crash ».
D'un point de vue pratique, il convient donc de garder la culture en phase de croissance
exponentielle le plus longtemps possible. Ceci permet de bénéficier d’un matériel biologique en
14
abondance sans que la mortalité cellulaire ne soit importante.
Cinétique de croissance des micro-algues : la croissance suit un développement que l’on peut
diviser en 4 phases distinctes.
Les différents paramètres d’étude influençant le taux de croissance sont la lumière, la température et
les apports en azote et en phosphore.
Sur la souche Chlorella sorokiniana, Belkoura et Dauta (en 1992) ont ainsi mis en évidence
un taux de croissance maximal de 2,2 algues supplémentaires par jour, ce qui correspond à 3,1
divisions par jour. Ces valeurs sont inférieures pour les Chlorella vulgaris, dont le taux s'élève à une
algue en plus par jour (Piquemal, 1990). Le modèle défini pour le taux maximal de croissance est
confirmé pour des algues d'un autre genre (Scenedesmus). De plus, les auteurs remarquent qu'un
éclairement continu assure, certes, un taux maximal de croissance, mais qu'au-delà de 12h
d'éclairement, le rendement de production baisse par rapport à la quantité d'énergie dispensée à la
culture. Il en découle alors, à échelle industrielle, un surcoût énergétique qui ne correspond pas à un
gain substantiel de masse (comme nous pouvons le voir dans le graphique issu d’une publication
ultérieure de Benider, Tahiri, Belkoura et Dauta, en 2001).
15
Les auteurs soulignent également que les limites de leurs expériences sont liées au phénomène
d'auto-ombrage et aux carences en azote ou en phosphore.
Les influences de l'azote et du phosphore sur des micro-algues Porphyridium purpureum
sont relevées dans les travaux de Joannis et al., (2007). Grâce à leurs résultats, ces auteurs concluent
qu'il faut une quantité minimale d'azote initiale pour ne pas limiter la croissance micro-algale, sans
dépasser une quantité maximale pour ne pas l'inhiber. Quant au phosphore, la biomasse augmente
avec sa concentration jusqu’à atteindre un plateau pour une concentration initiale de 30mg.L-1 , ce
qui correspond à 30 mg pour 0,2.109 cellules en début d'expérience biomasse.
Grâce à des modèles précis de l'évolution de la population algale, reposant sur des paramètres
externes, nous pourrions optimiser les rendements de production de biomasse algale.
c) Facteurs permettant d’augmenter la synthèse lipidique
Chez certaines espèces, il est possible d'augmenter significativement la production de lipides
par un stress. Les stress identifiés peuvent être de différentes natures (Sheehan et al., 1998).
Les conditions de carence en azote sont connues pour stimuler la production de lipides. Pour
les diatomées, une limitation par la silice conduit également à la production de lipides. L'augmentation soudaine de l'intensité lumineuse produit un effet similaire. Enfin, un choc thermique, de même
qu'un choc osmotique stimule également la production de lipides (Takagi et al., 2006), mais il
semble que ces deux derniers stress favorisent davantage les lipides polaires (phospholipides et glycolipides) associés aux membranes cellulaires.
Les teneurs en lipides (qui seront alors principalement constituées de triglycérides) sont considérablement accrues et peuvent atteindre 80% de la matière sèche (Metting, 1996). Ces conditions
de fortes productivités ne peuvent toutefois pas être maintenues pendant de longues durées : elles
conduisent le plus souvent à un arrêt de la croissance, puis, après un laps de temps, à la remobilisation des réserves lipidiques ainsi produites.
16
L'optimisation de la productivité en lipides doit donc passer par un compromis entre croissance
(donc sans carence) et production d'huile (avec un stress ralentissant la croissance). Huntley et Redalje (2006), proposent une manière d'optimiser la production de lipides chez Haematococcus pluvialis en deux étapes : une croissance en photobioréacteurs permettant d'atteindre des rendements
élevés et de limiter les sources de contaminations de la culture. Cette phase de croissance est suivie
de 2 jours de carence en étang dans lequel les micro-algues sont limitées par l'azote.
Le programme français de production de biocarburant issu de micro-algues, soumis à l'ANR
(dans le cadre du Programme National de Recherche sur les Biotechnologies) nommé SHAMASH
cherche à tester tous les facteurs possibles permettant d'optimiser la production de lipides par les
micro-algues ceci afin de produire des biocarburants lipidiques
Voici notamment les facteurs sur lesquels la communauté scientifique s’est focalisée dans le
cadre de ce projet :
1- Carence en azote (N)
«Naturellement, les algues produisent assez peu d'huile. Pour parvenir à leur faire accumuler
70% de leur poids sec en acide gras, il faut les stresser», explique Olivier Bernard, chercheur à
l'INRIA de Nice. En effet, une carence en azote provoquée dans le milieu de culture déséquilibre la
proportion d'azote et de carbone que l'algue a l'habitude d'absorber en continu dans ses cellules. Ce
déséquilibre a pour conséquence un stockage du carbone, sous forme d'huile.
17
D'après le graphique, la teneur en acides gras reste quasiment nulle en absence de nitrates
alors qu'en condition normale celle-ci augmente au cours de la culture. Cependant, on observe un
pic de production de lipides lors de la période de carence qui est d'autant plus accentué lorsque la
carence se fait rapidement et à court terme. Les plus fortes concentrations (1-2 mM) sont plus
efficaces que 0,5 mM pour la production de lipides.
2- Stress lumineux
D'après l'expérience décrite dans l'étude sur l'influence du stress lumineux sur la teneur en acide
gras de Dunaliella salina (bulletin de la Société de Pharmacie de Bordeaux, 2007), il y a une adaptation des micro-algues au stress lumineux. En effet, en réponse à ce stress, elles produisent davantage d'acides gras saturés mais les acides gras polyinsaturés représentant toujours environ le double
des saturés. Les acides gras les plus représentés étant l'acide palmitique (16:0, 32,2 %), suivi des
acides linolénique (18:3, 24,0 %), linoléique (trans-18:2, 15,2 %), hexadécatétraénoïque (16:4, 7,3
%), oléique (trans-18:1 5,8 %), hexadécanoïque (cis-16:2, 3,4 %) et stéarique (18:0, 2,0 %). Cependant, suite à ce stress, elles réintègrent en 24 heures leur teneur initiale en acides gras.
3- Choc thermique
Un brevet de « Procédé de production sélective de lipides polyinsaturés à partir d'une culture de
« Porphyridium cruentum » a été déposé pour une invention permettant la mise en place d'un choc
thermique sur une culture de micro-algues :
En effet, la teneur en acides gras polyinsaturés à l'intérieur des micro-algues varie fortement en
fonction des conditions de température. Un choc thermique appliqué à la biomasse de micro-algues
pendant un temps donné, est un écart thermique par rapport à la température de culture dans le photobioréacteur, de façon à modifier l'insaturation des acides gras des lipides.
Une diminution de température allant jusqu’à 4°C-15°C environ, permet d’obtenir des lipides
plus insaturés alors qu’une augmentation de température allant jusqu’à 40°C environ, permet
d’obtenir des lipides moins insaturés.
4- Choc osmotique
Une augmentation de la salinité dans un milieu aqueux est à l'origine d'un milieu hypertonique qui
constitue un choc osmotique pour des micro-algues marines. Ainsi, la production cellulaire d'acides
gras totaux augmente avec la quantité de sel. Au 20ème jour de culture, elle est de 50 µg/ml pour 10
% de sel contre 250 µg pour 30 %.
18
Ainsi, la micro-algue répond au stress osmotique par régulation du flux de carbone entre la synthèse d'amidon dans le chloroplaste et la production de glycérol (CH2OH-CHOH-CH2OH) dans le
cytoplasme. Le glycérol intracellulaire sert à équilibrer osmotiquement le sel extracellulaire. Dans
les organismes vivants, le glycérol est un composant important des glycérides (graisses et huiles) et
des phospholipides.
C. Extraction
a) Protocoles d'extraction des lipides
1- L'extraction: un défi
La production de biocarburants à partir des micro-algues est souvent citée dans les médias,
mais elle compte encore de nombreux défis à relever. L’un des premiers challenges consiste à
identifier les micro-algues les plus riches en lipides parmi les millions d'espèces existantes. En effet,
actuellement très peu de travaux ont été réalisé dans le domaine de la sélection de souches de
micro-algues les plus efficientes pour la production de lipides en réponse à des stress. Un second
défi à prendre en compte est l’optimisation de l’extraction des lipides qui demeure une étape encore
trop négligée. Les techniques de pressage à froid sont en effet inefficaces: les rendements ne sont
que de 70% (Guillaume Calu, 2006, Biodiesel et Microalgues). L’extraction de l’huile est réalisée à
l’hexane, ce qui n’est compétitif ni au niveau économique ni au niveau environnemental. Des
recherches sur l’extraction sont actuellement en cours : la société Valcobio, un des partenaires du
projet Shamash, travaille sur des techniques d’extraction sans produits toxiques.
19
2- Exemple de protocole d’extraction en laboratoire
Un protocole d'extraction a été décrit par Zhu et al. (2002). Il s'agit d'une modification de la
méthode d'extraction par voie humide de Bligh et Dyer (1959). Les cellules sont récoltées par
centrifugation à 8500 tr/min pendant 5 min et lavées une fois avec de l'eau distillée. Après séchage,
les échantillons sont broyés dans un mortier et extraits par un mélange de chloroforme: méthanol
(2:1, v/v). Après agitation mécanique de l'échantillon pendant 5 h et des ultrasons pendant 30 min,
les échantillons sont centrifugés à 3000 tr / min pendant 10 min. La phase solide est séparée avec
soin en utilisant un papier filtre. La phase solvant est évaporée dans un évaporateur rotatif sous vide
à 60°C. La procédure est répétée trois fois jusqu'à ce que la totalité des lipides soit extraite.
b) La trans-estérification
Il existe plusieurs réactions permettant de transformer l'huile extraite en carburant. La
technique la plus utilisée étant la trans-estérification, qui fait réagir l'huile avec un alcool (méthanol
ou éthanol), afin d'obtenir du EMHV (Esters Méthyliques d'Huiles Végétales, ou Biodiesel). Une
tonne d'huile avec 0,1 tonne de méthanol produit une tonne d'EMHV et 0,1 tonne de glycérine en
présence d'un catalyseur alcalin. L'algo-carburant obtenu est utilisé seul dans les moteurs ou
mélangé avec du diesel issu du pétrole. L’équation chimique de la réaction de trans-estérification est
la
suivante :
1 mol de trilinoléate de glycéryle + 3 mol de méthanol --> 3 mol d'E.M.H.V + 1 mol de glycérol.
Cette technique est aussi utilisée pour transformer d'autres huiles végétales en biocarburants,
elle permet de réutiliser le méthanol et d'extraire le glycérol qui a de nombreux usages notamment
en cosmétique.
20
Les huiles extraites de micro-algues diffèrent des huiles de végétaux supérieurs par leur teneur
nettement supérieure en acides gras poly-insaturés (Oléagineux, Corps gras, Lipides 2004, vol 11, p
118-121). Les acides gras et les esters méthyliques possédant 4 ou plus doubles liaisons risquent de
s’oxyder lors de leur stockage et de réduire l’acceptabilité de l’huile. L’insaturation totale est
d’ailleurs limitée pour les standards européens: le biodiesel utilisé pour les transports et les huiles
de chauffage ne doivent pas dépasser un indice d'iode de respectivement 120 et 130. Les huiles de
micro-algues peuvent être traitées par hydrogénation catalytique (cette technique est communément
employée pour obtenir de la margarine à partir d’huiles végétales insaturées).
D. Expérimentation au laboratoire Agronomie et Environnement (LAE) de l’ENSAIA
Nous avons étudié au laboratoire la croissance et la production de lipides des deux espèces de
micro-algues suivantes :
- Chlorella vulgaris (provenant de l’Ifremer), micro-algue d’eau douce;
- Nannochloropsis salina (provenant de l’algothèque de Caen), micro-algue d’eau de mer.
Ces deux espèces ont été cultivées dans un milieu minéral (Conway) dont la composition est donnée
en annexe 2. Pour les deux espèces, un inoculum initial de 5ml a été introduit dans 250ml de
Conway. Dans le cas de Nannochloropsis salina, le milieu de Conway utilisé a été amendé avec du
21
sel (NaCl, 33g/L).
Après deux semaines de culture en agitation à 20°C (photographie), une extraction de lipides a été
réalisée sur les volumes suivants :
 120ml de Nannochloropsis salina, pour une densité de 11,68.106cellules/ml
 235ml de Chlorella vulgaris, pour une densité de 13,52.106 cellules/ml
L’extraction des lipides a été réalisée selon le protocole suivant :
-
La suspension cellulaire est filtrée sur Buchner (filtre Whatman GFC, diamètre 70 mm).
-
Chaque filtre sec est remis dans 250ml d’un mélange de chloroforme/ méthanol (150/(75)).
-
Une agitation longue est réalisée pour extraire les composés hydrophobes : lipides et chlorophylle.
-
Une filtration sous vide sur verre n°4 est réalisée.
Après filtration : on retient les débris cellulaires.
-
Enfin, on utilise un évaporateur rotatif pour séparer les composés.
22
Après filtration sur verre
-
évaporateur rotatif
L’huile récupérée est conservée à -20°C dans une solution chloroforme/méthanol.
On analysera les différents types acides gras par Chromatographie Phase Gazeuse. (analyses en
cours à ce jour)
III.
La filière micro-algues, la recherche et les projets en cours
A. Projets et réflexions au niveau local:
Le projet que nous avons mené nous a permis d’avoir des contacts avec différentes personnes à
la fois des chercheurs, des acteurs du développement local et d’autres étudiants notamment d’autres
écoles que l’ENSAIA.
a) Etude mandatée par le Val de Lorraine, Conseil de Pays
Le Conseil de Pays du Val de Lorraine est le regroupement à la fois d’élus, de chefs
d’entreprises, de responsables associatifs et d’industriels qui, ensemble, définissent et mettent en
œuvre un projet concret de développement et d’aménagement durable du territoire lorrain. Nous
avons donc eu contact avec Mr Eric Deletang, chargé de développement local au sein du Conseil,
qui a commandité nos recherches sur la filière micro-algues.
Dans le cadre de leur projet de 3ème année, les élèves de la spécialité Gestion des Activités
Innovantes et Nutrition (GAIN) ont eu pour sujet l'étude technico-économique de la pérennité d'un
projet d'implantation d'une filière de valorisation des micro-algues dans la région Est. L'objectif de
la filière étant la création d'activité économique dans la région mais également l'inscription de la
région Lorraine dans la tendance environnementale. Leur projet s’est inscrit dans l’étude de
faisabilité commanditée par la communauté de communes du Val de Lorraine auprès d’Agria
Lorraine.
Les grandes conclusions de leur étude ont été les suivantes :
23
-
Une valorisation en tant qu'agro-carburant ne serait pas rentable en Lorraine du fait du
manque d'ensoleillement et d’un coût d'extraction encore trop élevé.
-
Une valorisation plus abordable serait celle par méthanisation (permettant indirectement la
récupération de chaleur et d'électricité par combustion). Mais ce processus impliquerait une
production directement dans le digesteur afin d'éviter la phase de récolte (qui nuit à la
rentabilité).
-
La valorisation par la filière aquacole (avec la nutrition des élevages piscicoles) est en plein
essor notamment au travers de diverses commissions à travers la France.
-
La valorisation par les industries alimentaires et cosmétiques reste très intéressante car elle
consiste en la production de molécules à forte valeur ajoutée.
b) Projet Mines en Lorraine
Des étudiants de l’Ecole des Mines de Nancy ont souhaité prendre contact avec nous car
notre projet sur la filière micro-algues les intéressait. En effet, dans le cadre du trophée du
Développement Durable, ceux-ci participent au projet : Étude de faisabilité d’un cycle énergétique
«Micro-algues-huile» sous la direction de l’Artem. Nous nous sommes donc rencontrés pour
discuter et échanger sur nos projets respectifs.
Le but de leur projet est de développer une technique efficace de réduction d'émission de
CO2 dans l'atmosphère pour le compte d'une grande entreprise (Solvay). Il s'agit de remplacer le
charbon utilisé actuellement par des micro-algues oléagineuses pour faire de la cogénération
chaleur-électricité.
Pour eux, les micro-algues représentent une source d'énergie d'origine végétale abondante et
se renouvelant à un rythme rapide. Ceci permet, d'une part, d'épargner la même quantité d'énergie
fossile et, d'autre part, d'éviter le rejet de la quantité correspondante de CO2 d'origine fossile dans
l'atmosphère. D’autant plus que le CO2 dégagé est utilisé comme élément nutritif nécessaire pour la
culture des micro-algues.
Ils nous ont expliqués les diverses actions qu’ils doivent mettre en œuvre pour leur projet
dans différents domaines.
1 – Etudier les installations actuelles avec un industriel pour bien connaître les effluents et
dimensionner les besoins.
2 – Etudier l'abondante littérature sur les micro-algues oléagineuses pour déterminer l'espèce la
mieux adaptée aux besoins définis en 1.
3 – Elaborer un schéma précis des installations à mettre en œuvre et le proposer à l'industriel.
24
4 – Analyser et chiffrer le projet dans ses dimensions physiques, ses dimensions en terme de flux et
dans ses coûts d'investissement et de fonctionnement.
5 – Identifier les limites techniques, financières et humaines du projet
De plus, ils nous ont signalés que c’était un projet de grande ampleur nécessitant beaucoup
de temps pour bien s'assurer de l'efficacité réelle du système en terme de coûts, d'économie de
combustible fossile et de rejets de gaz à effet de serre.
Les interrogations de ces étudiants, plutôt spécialisés en industrie et génie des procédés,
concernaient essentiellement les potentialités du matériel biologique. Nous leur avons ainsi donné
des indications plus avisées sur la bibliographie concernant la croissance et le contenu lipidique des
micro-algues. Ils ont ainsi notamment appris (i) qu’à l’heure actuelle aucune espèce de micro-algue
n’a été choisie au niveau de la communauté scientifique comme modèle pour une valorisation
optimale du CO2, (ii) que l’assimilation n’était pas totale car à un certain taux le CO2 devient
toxique pour les micro-algues, (iii) que toutes les algues n’étaient pas équivalentes pour la
production d’huiles végétales et de co-produits (tourteaux), (iv) que beaucoup de recherches étaient
encore en cours notamment en terme de sélection d’espèces vu la grande diversité des micro-algues
existant dans les différents écosystèmes naturels.
Le plan de leur projet est présenté sur la figure suivante :
25
Dans le schéma de leur projet industriel, les micro-algues arrivent en bout de chaîne pour
permettre la régénération du CO2 en O2 par le biais de la photosynthèse. Celles-ci seraient par la
suite séchées, grâce à la chaleur produite par le brûlage des déchets végétaux et organiques, et
permettre ainsi après extraction, la production de tourteaux, huile végétale pure et algo-carburants.
En conclusion, les micro-algues apparaissent comme une ressource particulièrement
prometteuse pour un cycle énergétique propre. Les difficultés semblent plutôt liées aux techniques
de production et de transformation des micro-algues. Cette ressource renouvelable est donc à
l’origine d’un véritable défi pour de nombreuses filières industrielles.
B. L’IFREMER et le projet SHAMASH au cœur du développement de la technologie des
micro-algues
a) Le projet SHAMASH
Le projet SHAMASH a permis de fédérer les équipes françaises sur le sujet des micro-algues pour
la production de biocarburants. Depuis décembre 2006, ce projet regroupe huit équipes et
26
entreprises françaises avec de nombreux spécialistes (des spécialistes de la culture, de la
physiologie et de l’utilisation des micro-algues, des spécialistes de l’optimisation des procédés de
biotechnologie, des spécialistes des biocarburants, de l’extraction et de la purification des lipides). Il
avait pour objectif de produire un biocarburant sous forme d’ester de méthyle à partir de microalgues autotrophes à l’aide d’un budget de 2,8 millions d’euros. Ainsi de 2006 à 2009 (fin du
projet), la France a déposé 8 publications, dont 5 sur l’amélioration des micro-algues et 3 brevets.
b) L’IFREMER, l’expert français des micro-algues
L’IFREMER de Nantes –organisme rattaché au Ministère de la Recherche- a pour but
d’accumuler des connaissances sur les micro-algues pour pouvoir en produire en qualité et quantité
constante. On y améliore et sélectionne aussi certaines souches. Dans ses laboratoires, une
importante algothèque et les tous nouveaux bioréacteurs accompagnent les scientifiques dans leurs
recherches.
Jean-Paul CADORET, directeur du laboratoire Physiologie et Biotechnologie des Algues en lien
avec le projet ANR (« Production de biocarburants lipidiques par des micro-algues ») nous a
accueilli le 11 mars 2010 au sein de son laboratoire. Cette visite a débuté par une conférence
résumant l’état actuel des recherches sur les micro-algues et l’immense potentiel qu’elles possèdent
pour le futur. En effet selon lui, « les micro-algues ont de nombreux atouts pour la production de
biocarburants –comme nous l’avons vu précédemment- mais aussi dans d’autres secteurs comme
les industries alimentaires, la santé, les cosmétiques et l’environnement (dépollution). Pourtant elles
sont encore très mystérieuses, nous sommes au « XIXème siècle de la culture des micro-algues » et il
nous reste tout à découvrir à leur sujet ». Par la suite, nous avons pu visiter les laboratoires de
recherche et les différentes installations. Nous avons pu enfin voir des productions de biomasse en
photobioréacteurs et même repartir avec un inoculum d’une souche de micro-algue pour notre
propre expérimentation. Ainsi Jean-Paul CADORET s’est montré tout au long de la journée
passionné et pédagogue, et sa rencontre fut très enrichissante pour notre projet.
Cette entrevue, en plus des apports de connaissances sur les micro-algues, nous a permis
d’échanger avec lui sur le métier de chercheur et sur son parcours professionnel très atypique. En
effet, il a passé tout d’abord une dizaine d’années comme technicien puis responsable d’une
entreprise d’aquaculture. Puis entre 1988 et 2001, il a intégré l’Ifremer en tant que technicien, puis
cadre et chercheur dans un laboratoire sur la pathologie puis l’immunologie des huîtres (comment
se défendent-elles lorsqu’elles se font attaquer et pourquoi se défendent-elles si bien alors qu’elles
n’ont pas d’anticorps?).
Dans son parcours, le plus surprenant a été ses rencontres : c’est en Australie qu’il apprend que
27
l’Ifremer à Nantes recherche un spécialiste en biologie moléculaire. Il revient donc aux sources à
Nantes et intègre le Laboratoire de Physiologie et Biotechnologie des Algues. Il crée son équipe à
Nantes en 2001 et dirige le laboratoire à partir de 2005. C’est ainsi que l’entreprise de
biotechnologie Algenics se crée tout naturellement en 2008 sur un sujet clair « Comment utiliser les
algues comme usine cellulaire pour fabriquer des médicaments ». Depuis presque deux ans,
l’entreprise compte 13 salariés.
C. Autres projets dans le Monde
Aujourd’hui, de nombreux projets et initiatives de recherches sont en cours à l’échelle mondiale
pour optimiser la production de micro-algues et de lipides. Tous les projets semblent vouloir
minimiser au mieux les impacts négatifs (contamination des eaux, sensibilité à certains facteurs
environnementaux…). Certains pays s’orientent plus particulièrement sur la sélection de microalgues par rapport à leur potentiel de rendement par des techniques de sélection classique jusqu’aux
manipulations génétiques. Ainsi, à travers le monde, de nombreuses équipes de chercheurs se
livrent une lutte sans merci pour trouver la souche de micro-algue la plus rentable et la plus
performante.
Le tableau ci-après résume la particularité des projets au niveau international :
Pays
Particularités des principaux projets
Etats-Unis
Sapphire Energy (2008) :
•
Le mieux financé dans le monde (Bioentreprise privée)
•
Utilisation d'OGM
•
La biomasse obtenue serait une mixture dite "pétrole synthétique vert"
PetroSun (2001) :
•
Plus vaste projet de type bassins/ raceways en cours de construction
•
Compagnie pétrolière en conversion
•
Projet en Chine
GreenFuel (2001) :
•
Plus soutenue et sérieuse initiative avec photobioréacteurs
•
But : Réduire les taux de NOx et de CO2 tout en produisant de la biomasse algale
Angleterre
Carbon Trust (2001)
•
La plus grande initiative publique avec un budget de 50 000 millions de dollar
•
Objectif ferme de concrétisation de machines fonctionnelles d'ici 2020
•
CO2 probablement issu de sources auxiliaires
France
Japon
Canada
Shamash (2007-2010)
•
Projet d'une vaste importance en France
•
Budget de 2,8 millions d'euros pour 3 ans
Université Tsukuba : Recherche avancée sur Botryococcus (souche prometteuse qui a la particularité
d’exporter les lipides à l’extérieur de la cellule)
Projet SRCA (Système de Recyclage du Carbone par les Algues) :
Système hybride de bassins ouverts et de serres alimentées par des capteurs photovoltaïques
28
IV.
Faisabilité pour le futur
A. Limites rencontrées
De prime abord, contrairement aux biocarburants de 1ère génération, la culture de microalgues n’apparaît pas concurrentielle en terme d’utilisation de terres arables, qui restent ainsi
disponibles pour les cultures alimentaires. Pour cette raison, la production d’algo-carburant suscite
l’intérêt et l’espoir des chercheurs. Cependant, certaines limites entravent le développement et la
mise sur le marché de ces algo-carburants.
L’un des plus gros problèmes à résoudre pour obtenir une production qui permettrait de
s’affranchir des énergies fossiles reste le manque de surface. En effet, pour remplacer 50 tonnes de
pétrole en France, la culture d’algues nécessiterait environ 1 077 000 ha de culture en zone humide,
ce dont nous ne disposons pas actuellement.
Autre problème important: le coût de tous ces procédés. Il est bien plus élevé que pour
l’utilisation de pétrole. Ces problèmes viennent à la fois de la production de micro-algues, de
l'extraction des lipides et du séchage de l'huile qui consomme de l’énergie. Les infrastructures, le
transport de la biomasse, la main d'œuvre et les coûts d'exploitation en énergie viennent s'ajouter
aux frais, augmentant ainsi le prix de revient. L'un des objectifs des chercheurs est de réduire au
maximum ce coût car pour l'instant le prix d'un litre d'algo-carburant est d'environ 10 euros. La
difficulté pour concentrer les micro-algues augmente encore le prix du carburant.
A l'heure actuelle, il est difficile d’avoir des idées précises sur le coût de leur culture à
grande échelle car il faut souvent se baser sur les chiffres qu’on obtient à partir de la production sur
quelques mètres carrés et extrapoler à plusieurs hectares. Les coûts peuvent atteindre 70 dollars par
kg de matière sèche. Les systèmes de type raceway permettent d'obtenir les coûts les plus faibles,
cependant, le rendement est relativement peu élevé par rapport à la culture en réacteur. La
production de biocarburants à partir de micro-algues ne peut être rentable que si elle est associée à
un système de dépollution (consommation de nitrate, ammonium et phosphate, CO2) et à la
production de coproduits valorisables dérivés de la biomasse.
En outre, quelques problèmes environnementaux peuvent également se présenter : même si
les algo-carburants produits à partir de biomasse micro-algale pourraient compenser l’épuisement
en énergie fossile, les pertes en eau dues à l’évaporation lors de la culture en bassin de type raceway
peuvent être importantes, ce qui amène à en consommer de grandes quantités. De plus, les
substances utilisées dans le milieu de culture des algues sont toutes normalement non polluantes et
non toxiques, mais les micro-algues peuvent concentrer les métaux lourds et cela pose un problème
29
de dépollution si elles sont associées à un système d’épuration.
Une autre limite concerne la protection des milieux de vie aquatique d'une contamination
éventuelle par des micro-algues extérieures. En effet, comme tout végétal, une micro-algue peut être
génétiquement modifiée, le risque majeur serait d'introduire une algue modifiée dans l'océan car la
propagation du nouveau caractère au sein des algues marines ne pourrait être stoppée. Ainsi les
algues marines naturelles seraient menacées de disparition en étant modifiées à leur tour. De plus, la
croissance d'une population micro-algale peut conduire à une surpopulation et à la mort de celle-ci.
Sa décomposition dans le fond va conduire à une diminution du taux d'O2 dans l'eau et à une
hypoxie voire à une anoxie. Ainsi de nombreux poissons, crustacés et coquillages peuvent mourir.
Des effets mécaniques existent aussi: les branchies peuvent être obstruées par le mucus produit ou
altérées par les excroissances de certaines espèces phytoplanctoniques. Enfin, certaines espèces
excrètent des toxines qui peuvent aussi causer la mort d'organismes marins et entraîner des maladies
chez l'Homme par ingestion de produits de la mer contaminés (diarrhées, amnésie, paralysie selon
les types de toxines).
B. Autres valorisations.
L'utilisation des micro-algues pour produire des biocarburants ne valorise qu’une partie
seulement des constituants de ces cellules, leurs lipides. D'autres substances biochimiques produites
par celles-ci présentent des avantages et des possibilités d'utilisations dans des domaines divers tels
que la santé, la pharmacologie et la cosmétologie. De plus, la mise en place de co-produits issus de
ces micro-algues pourrait être une solution pour réduire les coûts de production des algo-carburants
encore élevés à ce jour. Ce qui suit est donc une présentation de quelques exemples des différentes
utilisations possibles des micro-algues elles-mêmes, ainsi que de certaines de leurs molécules.
a) Industries alimentaires
Les algues sont très utilisées dans l'industrie alimentaire, notamment pour leurs propriétés
épaississantes, gélifiantes et en tant qu'additifs. Les micro-algues aussi peuvent être utilisées. En
effet, celles qui possèdent des caroténoïdes, dont le bêta-carotène ou l'astaxanthine (par exemple
Dunaliella ou Haematococcus), sont utilisées en tant que colorant dans divers produits comme les
glaces, les jus de fruits, le beurre, la margarine ou encore dans l'enrobage de tablettes. Egalement,
on peut citer l'additif E160a qui peut être obtenu grâce à Dunaliella. Les micro-algues sont aussi
source de vitamines.
b) Utilisations agronomiques
1- Alimentation animale
Les micro-algues sont la base du réseau trophique en milieu marin. De ce fait il apparaît
30
qu'elles peuvent être intégrées à l'alimentation en aquaculture marine. Elles sont notamment
utilisées dans les élevages de bivalves et pour les larves de poissons et de crustacés. Ce sont
notamment leurs nombreux acides gras insaturés qui aident à la croissance des jeunes larves. Ces
micro-algues (mortes) sont fournies sous forme de pâtes de micro-algues ou de micro-algues
sèches. Il semble cependant que ces micro-algues mortes soient utilisées essentiellement en tant que
complément de l'alimentation donnée habituellement ou en tant que supplément quand il n'y a pas
suffisamment d'algues vivantes. En effet, ces algues sèches ont des valeurs nutritionnelles plus
faibles que les vivantes et sont peu disponibles dans le commerce. Les micro-algues vivantes
apportent plus de bénéfices dans l'alimentation des élevages marins que lorsqu'elles sont séchées.
De plus, il existe une flore bactérienne naturelle avec la culture des micro-algues qui a été prouvée
bénéfique pour la santé des mollusques. Enfin, l'utilisation de levures et de bactéries dans
l'alimentation de ces élevages donnent des résultats beaucoup moins bons en apports nutritionnels
qu'avec des micro-algues. Les micro-algues vivantes apparaissent comme le meilleur choix dans les
conditions d'élevages, pour apporter des valeurs nutritives élevées, présenter des propriétés
physiques appropriées et fournir un environnement sain à l'élevage.
On peut par exemple citer Isochrysis galbana et Tetraselmis suecica qui sont considérées comme la
meilleure nourriture pour les larves de bivalves.. Les caroténoïdes présentés précédemment ont
aussi des applications dans l'élevage puisqu'ils améliorent l'état de santé général des animaux. Ils
sont aussi un supplément vitaminique chez les volailles. En aquaculture, ils favorisent la qualité et
la survie des larves de crevettes et sont utilisés dans l'élevage et la coloration des saumons.
2- Engrais
Les micro-algues apparaissent également comme de bons fertilisants des sols pauvres
puisqu'elles apportent notamment du potassium, de l'azote, éléments essentiels à la croissance
végétale. Elles permettent aussi de capturer et de garder l'humidité. Enfin, elles accélèrent la pousse
des cultures et les protègent en limitant la prolifération des épiphytes (organismes végétaux qui
croient et vivent sur d'autres végétaux sans se nourrir à leurs dépens) et des parasites.
c) Alimentation humaine
Certaines micro-algues sont sources de matière alimentaire à haute valeur nutritive en
vitamines, protéines, sucres et lipides, produits en grande quantité et utilisables par l'homme.
Notamment les Diatomées, la Chlorelle et la Spiruline sont consommées (sous forme de
compléments alimentaires). Par exemple, la Spiruline est formée par 60 à 68% de sa matière sèche
en protéines (elle est donc bénéfique pour des régimes alimentaires déséquilibrés en protéines), 19%
de glucides, 3% lipides (dont des oméga-6), du fer et des vitamines A, B2, B6, B12. Voici des
31
valeurs d'apports nutritifs fournies pour la Spiruline:
Valeurs nutritives de 10g de matière sèche de Spiruline
(AJR: apports journaliers recommandés)
Vitamine A
Vitamine E
Vitamine B1
Vitamine B2
Vitamine B3
Vitamine B5
Vitamine B6
Vitamine B12
Vitamine K
Calcium
Phosphore
Magnésium
Fer
Zinc
Cuivre
Manganèse
Sodium
Potassium
Protéines
Acides gras essentiels
Phycocyanine 1500mg
Valeur énergétique
Source
tableau:
(18/12/09)
14mg
1mg
0.4mg
0.4mg
1.4mg
0.01mg
0.08mg
0.03mg
0.20mg
70mg
80mg
40mg
15mg
0.3mg
0.12mg
0.5mg
90mg
140mg
6 à 8g
Acide linoléique (oméga-6) 80mg
Chlorophylle 110mg
160kJ
100% des AJR
10% des AJR
30% des AJR
30% des AJR
8% des AJR
0.1% des AJR
4% des AJR
100% des AJR
100% des AJR
8% des AJR
8% des AJR
15% des AJR
100% des AJR
2% des AJR
6% des AJR
15% des AJR
-- des AJR
4% des AJR
Acide gamma linoléique 100mg
Caroténoïdes 37mg
http://www.spirulinestaugustin.com/analyse-valeurs-nutritionnelles.html,
La Spiruline est la micro-algue la plus connue pour ses nombreuses propriétés. Grâce à cellesci, de nombreux scientifiques pensent que la Spiruline serait la réponse à apporter pour lutter contre
la malnutrition qui touche les pays les plus pauvres. D'ailleurs, un texte des Nations Unies traite de
l'utilisation des micro-algues alimentaires pour lutter contre la malnutrition aiguë dans les situations
d'urgence humanitaire et favoriser le développement durable.
Les oméga-6 (en particulier l'acide linoléique) sont aussi produits par certaines micro-algues
(Spiruline). Ces acides gras ne sont pas synthétisés chez l'homme ni chez les animaux et pourtant ils
sont essentiels au bon fonctionnement de l'organisme. En effet, ils initient les processus
inflammatoires essentiels pour lutter contre les infections, cicatriser des blessures, ou encore
permettre la synthèse d'hormones thyroïdiennes, entre autres fonctions métaboliques. Ces oméga-6
peuvent également se trouver dans la viande, les volailles, les huiles végétales et les fruits à coque.
32
Ainsi, consommer des micro-algues peut assurer l'approvisionnement en oméga-6.
d) Energie et environnement
Certaines micro-algues ont la capacité de produire de l'hydrogène grâce à des enzymes, les
hydrogénases, lors de la photosynthèse. Or cet hydrogène peut être utilisé comme biocombustible et
ainsi servir de source d'énergie propre et renouvelable. Des recherches sont menées pour augmenter
la production de cet hydrogène, grâce aux domaines de recherche en biologie structurale, en génie
génétique et ingénierie des protéines.
Les micro-algues semblent pouvoir servir dans des usines de traitement d'eaux usées. En
effet, l'addition de micro-algues dans des eaux usées ne contenant ni métaux lourds ni radioisotopes,
peut atténuer les impacts des effluents de ces eaux et des déchets industriels azotés. De plus, en
enlevant de l'azote et du carbone de l'eau, les micro-algues peuvent aider à réduire l'eutrophisation
de certains milieux aquatiques (eutrophisation: enrichissement en sels minéraux (d'un milieu
aquatique) qui entraîne un déséquilibre écologique).
Elles sont également source de biomatériaux comme l'amidon qui peut servir à la fabrication
de plastiques recyclables.
Les possibilités d'utilisation des micro-algues sont donc nombreuses et variées, en plus de la
production d'algo-carburants. Des recherches sont en cours notamment sur les pigments dans la
lutte contre le cancer (Laboratoire de l'IFREMER de Nantes). Il faudrait également étudier des
techniques permettant de récupérer d'autres substances des micro-algues après que leurs lipides
aient été extraits, afin de recycler ces microorganismes pour plusieurs utilisations et ainsi diminuer
les coûts de production des algo-carburants par la valorisation de co-produits.
33
CONCLUSION
Partout dans le monde, l'intérêt pour les micro-algues est de plus en plus grand et ce dans
divers domaines tels que les biocarburants de troisième génération, la pharmacologie, la médecine
et l'aquaculture. En effet, elles présentent un rendement photosynthétique élevé et permettent ainsi
un fort recyclage du CO2 industriel. Leur utilisation comme source d’énergie permet aussi d’éviter
les compétitions pour l’eau potable et les surfaces cultivables.
Même si les micro-algues présentent tous ces avantages, de nombreux défis sont encore à
relever afin d'augmenter la production de biomasse et celle d’énergie. De plus, les coûts de
production et d'extraction de lipides restent encore trop élevés pour pouvoir remplacer à l’heure
actuelle les énergies fossiles par les biocarburants de troisième génération. La production de
molécules à hautes valeurs ajoutées, issues des résidus d’extraction, pour l’industrie en général ou
l’utilisation de la biomasse algale en méthanisation ou pisciculture semblent être les seules solutions
à l’heure actuelle permettant de rentabiliser les algo-carburants.
La réalisation de ce projet au cours de cette année nous a permis d’apprendre ce qu’est le
travail de groupe, la recherche bibliographique, la prise de contact avec le milieu scientifique et
professionnel. Son déroulement a nécessité que nous gardions une motivation intacte et constante
malgré les difficultés rencontrées.
34
REMERCIEMENTS
Notre groupe de projet professionnel tient à remercier en tout premier lieu Séverine Piutti,
professeur et maître de conférence à l’ENSAIA, qui a supervisé le déroulement de ce projet. Tout au
long de cette année, elle a su orienter nos recherches et nous rediriger dans les moments de
dispersion. Sa bonne humeur et ses encouragements nous ont permis de garder notre vitalité et notre
envie d’avancer lors du projet.
Nous remercions tout particulièrement Jean-Paul Cadoret, directeur du laboratoire
Physiologie et Biotechnologie des Algues à l’IFREMER de Nantes pour nous avoir accueilli au sein
de son laboratoire et accordé un peu de son temps précieux de chercheur. De plus, il nous a permis
de mettre en place nos expérimentations grâce au don d’un inoculum de micro-algues. Sa rencontre
fut très enrichissante pour notre projet.
Un grand merci à M. Christophe Schwartz et à l’Administration de l’INPL pour leur soutien
financier lors de notre visite à l’IFREMER.
Certaines personnes du groupe ont également eu le plaisir de collaborer avec M. Michel
Linder pour l’extraction et l’analyse des lipides.
Nous tenons aussi à remercier M. Laurent Fordoxcel, Responsable des Aquariums au
Muséum Aquarium de Nancy pour le don de vitamines.
Enfin, nous voudrions remercier les groupes d’étudiants de GAIN en 3ème année de
l’ENSAIA et le groupe ARTEM de l’Ecole de Mines pour leur apport d’informations et de
compléments à nos recherches.
35
SOURCES
Sitographie
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- Olivier Bernard (2008). Shamash, Production de biocarburants lipidiques par des micro-algues,
Projet ANR-PNRB
38
ANNEXE 1
Les microalgues
Les microalgues: Une diversité
Microalgues rouges
Microalgues vertes
Diatomées
Microalgues brun/or
Dinophycée
Microalgues dorées
Jean-Paul CADORET
Laboratoire Physiologie et Biotechnologie des Algues
39