# Optimisation de la culture de microalgues à l'aide de photobioréacteurs innovants dans le contexte de bioéconomie circulaire

Marie-Ange Leca, Lucie Castel, Ángela Sánchez-Quintero, Benjamin Michelena, Yves Le Guer, Jean-Baptiste Beigbeder

<figure><img src="image_1.png" /></figure>

## ► To cite this version:

Marie-Ange Leca, Lucie Castel, Ángela Sánchez-Quintero, Benjamin Michelena, Yves Le Guer, et al. Optimisation de la culture de microalgues à l'aide de photobioréacteurs innovants dans le contexte de bioéconomie circulaire. Société Française de Génie des Procédés (SFGP2022), Nov 2022, Toulouse, France. hal-04059724

HAL Id: hal-04059724

https://univ-pau.hal.science/hal-04059724

Submitted on 25 Apr 2024

HAL is a multi-disciplinary open access
archive for the deposit and dissemination of sci-
entific research documents, whether they are pub-
lished or not. The documents may come from
teaching and research institutions in France or
abroad, or from public or private research centers.

L'archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
destinée au dépôt et à la diffusion de documents
scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
émanant des établissements d'enseignement et de
recherche français ou étrangers, des laboratoires
publics ou privés.

<figure><img src="image_2.png" /></figure>
# Optimisation de la culture de microalgues à l'aide de photobioréacteurs innovants dans le contexte de bioéconomie circulaire

Marie-Ange LECA<fnref n="1" />,<fnref n="2" />*, Lucie CASTEL<fnref n="2" />, Angela SANCHEZ QUINTERO<fnref n="2" />, Benjamin MICHELENA<fnref n="2" />, Yves LE GUER<fnref n="1" />, Jean Baptiste BEIGBEDER<fnref n="2" />

## 1. Contexte du projet

<figure><img src="image_1.png" /></figure>

## 2. Démarche expérimentale

### Axe 1 : Valorisation d'effluents agro-industriels pour la culture de microalgues

<figure><img src="image_2.png" /></figure>

**Culture de Spiruline** avec digestats de méthanisation et eau de géothermie :

* Screening en tubes avec plusieurs taux de dilution et un contrôle (BG11)

* Mise à l'échelle en réacteur « flat panel »

* Utilisation de NaHCO₃ ou de CO₂ comme source de carbone

### Axe 2 : Développement de photobioréacteurs innovants pour la culture de microalgues

<figure><img src="image_3.png" /></figure>

<figure><img src="image_4.png" /></figure>

<figure><img src="image_5.png" /></figure>

**Intérêt de la géométrie sinusoïdale :**

* Améliorer le mélange et les échanges gazeux

* Limiter la formation de biofilm sur la paroi des tubes

* Générer des écoulements chaotiques à de faibles vitesses d'écoulement

## 3. Résultats expérimentaux

* Digestat liquide brut trop « toxique » pour la croissance de Spiruline ($NH_4^+$ ≈ 400 mg/L)

* Croissance observée pour chaque taux de dilution (x2, x5, x10)

* Taux de dilution x5 sélectionné :

* 82% $\mu_{BG11} = \mu_{x5}$

* 41% $DO_{680}_{BG11} = DO_{680}_{x5}$

<figure><img src="image_6.png" /></figure>

<figure><img src="image_7.png" /></figure>

* Taux de croissance $\mu$ (j⁻<fnref n="1" />) :

* $\mu_{x5 avec CO_2} = 0,31 \pm 0,06$ j⁻<fnref n="1" />

* $\mu_{x5 avec NaHCO_3} = 0,12 \pm 0,01$ j⁻<fnref n="1" />

* Concentration maximale (g/L) :

* $C_{max_{x5 avec CO_2}} = 1,06 \pm 0,05$ g/L

* $C_{max_{x5 avec NaHCO_3}} = 1,27 \pm 0,27$ g/L

PBR tubulaire droit « classique »

<figure><img src="image_8.png" /></figure>

PBR tubulaire « sinusoïdal »

<figure><img src="image_9.png" /></figure>

**Paramètres opératoires :**

* $D_{int tube}$ : 32 mm

* $D_{ext tube}$ : 40 mm

* $L_{tubes}$ ≈ 6 m

* Pompe de recirculation

* $Q_v$ = 200 L/h

* $Re$ ≈ 2000

**Essais préliminaires :**

* Taux de croissance moyen $\mu$ (j⁻<fnref n="1" />) :

* $\mu_{PBR droit}$ = 0,35 ± 0,04 j⁻<fnref n="1" />

* $\mu_{PBR sinusoïdal}$ = 0,40 ± 0,10 j⁻<fnref n="1" />

* Concentration maximale (g/L) :

* $C_{PBR droit}$ = 0,69 ± 0,11 g/L

* $C_{PBR sinusoïdal}$ = 0,74 ± 0,23 g/L

* Moins de dépôts avec le tubulaire sinusoïdal → tester en mode « fed-batch » et avec injection d'air

<figure><img src="image_10.png" /></figure>

## 4. Perspectives

* Caractérisation de la **biomasse récoltée** pour définir les **voies de valorisation**

* Montée en échelle des essais de croissance de Spiruline (Colonnes, PBR innovants et Raceway)

* Culture en mode « fed-batch » → représentatif des cultures industrielles

* Poursuivre la **comparaison des deux systèmes** en milieu synthétique (mode batch et « fed-batch »)

* Tester les PBR innovants avec injection d'air et de CO₂

* Montée en échelle du prototype sinusoïdal (si résultats favorables)

* Essais de croissance de microalgues avec les milieux nutritifs alternatifs issus d'effluents agro-industriels

<footnote n="1">¹SIAME/Université de Pau et Pays de l'Adour - E2S UPPA - IPRA - 64000 Pau, France.</footnote>

<footnote n="2">²APESA Valorisation, 3 chemin de Sers, 64121 Montardon, France. *marieange.leca@apesa.fr</footnote>
# Optimisation de la culture de microalgues à l'aide de photobioréacteurs innovants dans le contexte de bioéconomie circulaire

Marie-Ange LECA<fnref n="1" />,<fnref n="2" />*, Lucie CASTEL<fnref n="2" />, Angela SANCHEZ QUINTERO<fnref n="2" />, Benjamin MICHELENA<fnref n="2" />, Yves LE GUER<fnref n="1" />, Jean Baptiste BEIGBEDER<fnref n="2" />

## 1. Contexte du projet

<figure><img src="image_3.png" /></figure>

## 2. Démarche expérimentale

### Axe 1 : Valorisation d'effluents agro-industriels pour la culture de microalgues

<figure><img src="image_4.png" /></figure>

**Culture de Spiruline** avec digestats de méthanisation et eau de géothermie :

* Screening en tubes avec plusieurs taux de dilution et un contrôle (BG11)

* Mise à l'échelle en réacteur « flat panel »

* Utilisation de NaHCO₃ ou de CO₂ comme source de carbone

### Axe 2 : Développement de photobioréacteurs innovants pour la culture de microalgues

<figure><img src="image_5.png" /></figure>

<figure><img src="image_6.png" /></figure>

<figure><img src="image_7.png" /></figure>

**Intérêt de la géométrie sinusoïdale :**

* Améliorer le mélange et les échanges gazeux

* Limiter la formation de biofilm sur la paroi des tubes

* Générer des écoulements chaotiques à de faibles vitesses d'écoulement

## 3. Résultats expérimentaux

* Digestat liquide brut trop « toxique » pour la croissance de Spiruline ($NH_4^+$ ≈ 400 mg/L)

* Croissance observée pour chaque taux de dilution (x2, x5, x10)

* Taux de dilution x5 sélectionné :

* 82% $\mu_{BG11} = \mu_{x5}$

* 41% $DO_{680}_{BG11} = DO_{680}_{x5}$

<figure><img src="image_8.png" /></figure>

* Taux de croissance $\mu$ (j⁻<fnref n="1" />) :

* $\mu_{x5 avec CO_2} = 0,31 \pm 0,06$ j⁻<fnref n="1" />

* $\mu_{x5 avec NaHCO_3} = 0,12 \pm 0,01$ j⁻<fnref n="1" />

* Concentration maximale (g/L) :

* $C_{max_{x5 avec CO_2}} = 1,06 \pm 0,05$ g/L

* $C_{max_{x5 avec NaHCO_3}} = 1,27 \pm 0,27$ g/L

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>PBR tubulaire « sinusoïdal »</figcaption></figure>

<figure><img src="image_10.png" /></figure>

**Paramètres opératoires :**

* $D_{int tube}$ : 32 mm

* Pompe de recirculation

* $D_{ext tube}$ : 40 mm

* $Q_v$ = 200 L/h

* $L_{tubes}$ ≈ 6 m

* Re ≈ 2000

**Essais préliminaires :**

* Taux de croissance moyen $\mu$ (j⁻<fnref n="1" />) :

* $\mu_{PBR droit}$ = 0,35 ± 0,04 j⁻<fnref n="1" />

* $\mu_{PBR sinusoïdal}$ = 0,40 ± 0,10 j⁻<fnref n="1" />

* Concentration maximale (g/L) :

* $C_{PBR droit}$ = 0,69 ± 0,11 g/L

* $C_{PBR sinusoïdal}$ = 0,74 ± 0,23 g/L

* Moins de dépôts avec le tubulaire sinusoïdal → tester en mode « fed-batch » et avec injection d'air

<figure><img src="image_11.png" /></figure>

## 4. Perspectives

* Caractérisation de la **biomasse récoltée** pour définir les **voies de valorisation**

* Montée en échelle des essais de croissance de Spiruline (Colonnes, PBR innovants et Raceway)

* Culture en mode « fed-batch » → représentatif des cultures industrielles

* Poursuivre la **comparaison des deux systèmes** en milieu synthétique (mode batch et « fed-batch »)

* Tester les PBR innovants avec injection d'air et de CO₂

* Montée en échelle du prototype sinusoïdal (si résultats favorables)

* Essais de croissance de microalgues avec les milieux nutritifs alternatifs issus d'effluents agro-industriels

<footnote n="1">¹SIAME/Université de Pau et Pays de l'Adour - E2S UPPA - IPRA - 64000 Pau, France.</footnote>

<footnote n="2">²APESA Valorisation, 3 chemin de Sers, 64121 Montardon, France. *marieange.leca@apesa.fr</footnote>