Choix de l'espèce algale

Il convient de noter, comme vu précédemment, que l'étape de sélection ne se résume pas

qu'à des considérations de tolérance de l'espèce vis-à-vis du CO₂, ni même vis-à-vis des

éléments toxiques, mais également par rapport à une vitesse de croissance élevée et à une densité cellulaire maximale (Lee et Lee, 2003). De nombreux travaux ont porté sur la stratégie

de fixation du CO2 par les microalgues (Ho et al., 2010 ; Wang et al., 2008 ; Reddy, 2002 ;

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Chlorella vulgaris, Chlorella kessleri, Scenedesmus sp. Dunaliella tertiolecta, Spirulina sp, etc. Ho et al. (2010) ont comparé, à partir d’un tableau récapitulatif, des espèces de

microalgues selon leur vitesse de croissance et leur capacité de fixation du CO2.

Au niveau de la littérature, on a remarqué une grande hétérogénéité au niveau des valeurs

optimales du taux de CO2 assurant une vitesse de croissance élevée, ainsi qu'une capacité

maximale de fixation de CO2. Cette hétérogénéité est due essentiellement à une diversité au

niveau des conditions opératoires appliquées dans chaque étude (intensité lumineuse, température, pH, type de réacteur, etc.). De de fait, il nous est difficile de comparer les capacités de fixation d’une espèce d’algue par rapport à une autre, et par conséquent, de

choisir l’espèce algale présentant les meilleures capacités de fixation de CO2. Cependant,

d’autres aspects de sélection dépendants de l’objectif de l’étude peuvent intervenir comme ceux associés à la méthode d’analyse appliquée (difficulté du dénombrement cellulaire de la classe Spirulina, par exemple) ou bien par rapport au métabolisme de l’algue (fragilité cellulaire de la classe Dunaliella du fait d’un manque de parois cellulaires la rendant ainsi très sensibles au stress mécanique de cisaillement (Kumar et al., 2011), par exemple). Compte-tenu de tout ce qui précède, il a été décidé de choisir pour nos travaux comme algue ayant une

grande capacité de fixation du CO2 la classe Chlorella et plus précisément l’espèce Chlorella

vulgaris.

A travers une analyse bibliographique consacrée à la stratégie de fixation du CO₂ de

l'espèce Chlorella vulgaris, nous avons opté, durant nos travaux, pour des conditions de

culture basées sur un mélange gazeux d’air enrichi en CO2 de 5%. Le tableau 1.1 permet de

récapituler les résultats obtenus dans différentes publications consacrées à la bio-fixation du

CO₂ par Chlorella vulgaris.

Tableau 1.1 : Récapitulatif des résultats de publications sur la stratégie de bio-fixation du CO2 par l’espèce Chlorella vulgaris

PBR : photobioreacteur ; Erlen : Erlenmeyer ; T : température

Gamme CO2 (%) [CO2] Optimal (%) Lumière (µE.m^-2.s^-1) T (°C) Système de culture Régulation pH Références 2-11 2 -11 1150 30 ^Erlen 300 ml Oui (6,5-7,5) Douskova et al. (2009)

0,036-20 6 47 Erlen - ^{Chinnasamy et al.}

(2009)

5 - 15 5 110 27 PBR - Yun et al. (1997)

5 5 160 32 PBR - ^Reddy

(2002)

5 5 47 - PBR - Sydney et al. (2010)

0,03-15 4 80 25±1 Erlen non Bhola et al. (2011)

0,04-12 4 350±10 26±0,5 ^PBR

1,4L ^{- Hulatt et al. (2011)}

Chlorella vulgaris, une microalgue unicellulaire verte marine, a été isolée et décrite pour la

première fois par le professeur Néerlandais M.W. Beijerinck en 1889 à Delft. Appartenant à l'espèce des Chlorophytes, cette espèce présente une taille variant de 5 à 10 µm. De morphologie sphérique ou ellipsoïde, elle est caractérisée par une fine paroi cellulaire avec une éventuelle présence de pyrénoïde (structure cellulaire considéré comme le centre de

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localisé à l'intérieur des chloroplastes (cf. figure 1.9).

Figure 1.9 : A : structure morphologique de Chlorella (Beer et al., 2009) – B : micrographie électronique d'une cellule de Chlorella vulgaris en section longitudinale (Richmond, 2004) –C :

observation microscopique en DIC "Differential Interference Contrast" de cellule de Chlorella

vulgaris (I : membrane plasmique; II : chloroplaste; III : graine d'amidon; VI : mitochondrie; V: noyau; VI : thylakoïde; VII : membrane nucléaire; VIII : pyrénoïde)

1.4 Conclusion

On vient de voir l’importance du choix de l’algue et de la technologie du photobioréacteur.

Cependant l’industrialisation d’un tel procédé de captation de CO2 passe par la mise en place

de stratégies de commande performantes permettant une efficacité optimale : mise en œuvre de stratégies d'estimation de la concentration cellulaire, donnée nécessaire à la synthèse de lois de commande ; et mise au point de lois de commandes robustes permettant de maximiser

la consommation de CO2 par les microalgues.

La démarche méthodologique mise en œuvre repose alors sur trois axes principaux.

 MODELISATION : cette étape implique tout d’abord la définition d’un modèle de

croissance pertinent, capable de reproduire efficacement le comportement cellulaire de l'algue mise en culture dans le photobioréacteur. Elle implique ensuite une phase d’identification expérimentale des différents paramètres de ce modèle de croissance

associés notamment à la cinétique de consommation de CO2, à l’effet de la lumière et à

la vitesse spécifique de croissance, effectuée à partir de campagnes expérimentales de cultures en mode batch et en mode continu (les différents modes de fonctionnement seront détaillés dans le chapitre II).

 ESTIMATION : cet axe vise à la mise en place d’observateurs qui combinent le

modèle du bioprocédé, précédemment identifié, à des mesures physiques simples et

disponibles en-ligne (pH, intensité lumineuse, pression partielle en CO₂), afin d'estimer

les paramètres du système non accessibles en temps réel, à savoir ici la concentration cellulaire, en raison de l’impossibilité de mesure de ce paramètre en ligne. Ainsi, différentes stratégies d'estimation de la biomasse seront proposées et validées expérimentalement à partir des données de cultures de Chlorella vulgaris en mode

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intervalles.

 COMMANDE : cette dernière étape a pour but la mise en place de stratégies de

commande robustes vis-à-vis des incertitudes des paramètres du modèle et des

perturbations extérieures (pH, lumière, pression partielle en CO₂). La commande

prédictive non-linéaire ou « CPNL » sera mise en oeuvre et validée en simulation puis expérimentalement en temps réel couplées aux stratégies d'estimation de la concentration de biomasse mentionnées précédemment. Ses performances seront comparées à celles d’une commande par modèle générique « GMC ».

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2

M

odélisation du bioprocédé

2.1 Introduction

Considérant l’impact de plus en plus fort des biotechnologies microalgales, il s’est révélé intéressant de travailler sur la modélisation de ces systèmes, ce qui représente un défi scientifique très complexe. En effet, ce système biologique interagit avec de nombreux facteurs physiques et biologiques. Divers modèles de complexité variable ont été proposés dans la littérature afin de caractériser le comportement cellulaire des microalgues dans les systèmes de culture.

Ce deuxième chapitre est consacré en premier lieu à la présentation des divers modes de fonctionnement des cultures algales. Une seconde partie décrit le modèle de croissance retenu dans le cadre de la présente thèse.