L’irradiance

culture en bassin ouvert, et sont souvent de plus petite capacité, car présentant une surface éclairée plus importante. Certains projets, tel que le BIQ House (à Hambourg en Allemagne), ont développé l’utilisation de photobioréacteurs en façade de bâtiments, apportant de nombreux intérêts écologiques, notamment sur l’utilisation de la chaleur et des biogaz émis. Les réacteurs extérieurs nécessitent cependant d’être utilisés dans des zones climatiques favorables.

2.1.3 Culture en photobioréacteur

Le photobioréacteur (PBR) est un espace clos, dont les variables de culture (irradiance, température, pH, contaminations…) sont contrôlées. Le contrôle de l’éclairage est un élément indispensable au bon déroulement de la croissance des microorganismes de type photosynthétiques (algues ou cyanobactéries).

Les PBR peuvent utiliser un éclairage solaire ou une lumière artificielle. Dans ce cas, l’illumination (flux de photons) est généralement réalisée en continu, et contrôlée en intensité (souvent exprimée en micromoles de photons.m^-2.s^-1). Seule une partie du spectre lumineux est utilisable par les microorganismes photosynthétiques (appelée le PAR pour Photosynthetically Active Radiation) avec des longueurs d’ondes comprises entre 400 et 700 nm. La quantité de μmoles de photons.m^-2.s^-1 peut aussi être exprimée en W.m^-2, avec, dans le cas de la lumière blanche, un facteur de conversion de 0,22 J.µmolhν^-1, soit un facteur de 4,6 pour convertir les W.m^-2 en μmoles de photons.m^-2.s^-1 (Rochatte, 2016).

Les conditions de culture, à savoir le débit de CO2, le pH et la température, sont contrôlées automatiquement. Ce mode de gestion permet donc d’optimiser les performances de production (Lucchetti, 2015).

2.2 Contrôle des cultures en PBR

Le milieu de culture et l’environnement, dans lesquels se trouvent les microorganismes, influencent fortement leur croissance et leur métabolisme.

2.2.1 L’irradiance

L’éclairement de la culture est un point de contrôle essentiel pour la croissance des microorganismes photosynthétiques. Dans les cas des cultures en PBR au laboratoire, la

26 lumière est artificielle. Elle peut être blanche (lampes halogènes ou panneau de LEDs) ou en LEDs rouges et/ou bleues. Il est possible de modéliser et d’estimer des valeurs seuils entre la respiration cellulaire et la photosynthèse, ainsi que la valeur optimale du flux lumineux à appliquer, en fonction du type d’éclairage, de la forme du réacteur, de la distance entre les lumières et la culture, des surfaces de réfléchissements… Un modèle de transfert radiatif est décrit dans ce chapitre (§7).

La lumière est un élément indispensable à la photosynthèse pour la croissance des cellules dans le PBR, jusqu'à un seuil maximal où apparait la photo-inhibition (Ritz et al., 2000). Il existe un point de compensation, noté Gc, qui correspond à une irradiance pour laquelle un équilibre est présent entre deux métabolismes majeurs : la photosynthèse et la respiration. En dessous de ce point, pour les organismes autotrophes, l’absence de lumière entraine la consommation de l’oxygène dissous, aussi appelée respiration.

En effet, plus la lumière est intense plus la croissance cellulaire augmente. Cela reste valable jusqu’au seuil d’irradiance de saturation noté Gs. L’effet de la photopériode (durée de la période d’exposition lumineuse) dépend de l’irradiance à laquelle est exposée la culture. Sous une irradiance inférieure à l’irradiance optimale de croissance (Gs), une augmentation de la durée d’éclairage permet d’augmenter la vitesse de production de biomasse.

Pour des irradiances plus importantes, lorsque le phénomène de photo-inhibition intervient, entraînant une diminution de la croissance, diminuer le cycle d’éclairage permet de diminuer les effets de l’inhibition.

De plus, la composition quantitative et qualitative des pigments photosynthétiques varie avec l’intensité de l’irradiance et le spectre lumineux, notamment pour les microorganismes possédant un phycobilisome (algues bleues et rouges). On observe dans ce cas, une diminution importante des phycobiliprotéines dans les cellules en présence de lumière rouge (λ = 600 - 700 nm) (Farges et al., 2009 ; Rahaoui, 1999 ; Marquardt et Rehm, 1995 ; Akimoto et al., 2012).

Ce phénomène est lié à l’adaptation du système photosynthétique des organismes aux conditions environnementales. Il a été remarqué que, chez la microalgue rouge Porphyridium cruentum, la lumière rouge (600 - 700 nm), surtout à faible irradiance, induit, par rapport à la lumière blanche, la diminution de la quantité de phycoérythrines. Lors de l’utilisation d’une lumière blanche ou verte, les quantités de pigments accessoires sont les mêmes puisque les

27 phycobiliprotéines absorbent principalement les longueurs d’ondes situées dans le vert (Minkova et al., 1996).

Concernant la cyanobactérie Arthrospira platensis, Farges et al. (2009) ont réalisé des

cultures en photobioréacteur en continu durant 5 mois à une irradiance de 135 μmoles de photons.m^-2.s^-1 en lumière rouge (620 nm), avec un temps de séjour de 62,5 h. L’équipe a

montré que ces conditions d’irradiance entrainaient une perte des phycocyanines de 50 %. Ceci s’explique par une possible redirection des électrons du photosystème I vers le photosystème II (absorbant aux alentours de 620 nm). Cependant, il s’avère que ce phénomène est réversible dès lors que l’on modifie le spectre d’émission de la lumière irradiante. L’ajout de LEDs bleues au panneau d’éclairage permet de réactiver le PSI et au bout de 850 heures de culture sous LEDs bleues et rouges, à un flux lumineux de 33 μmoles de photons.m^-2.s^-1 et avec un temps de séjour de 272 h, l’ensemble du contenu intracellulaire en phycocyanines est retrouvé. En revanche, les pigments chlorophylliens ne sont pas affectés par la modification de la longueur d’onde d’irradiance.

Pour de fortes intensités lumineuses, on observe une augmentation de la quantité de chlorophylles a et b et de certains caroténoïdes xanthophylles. Les xanthophylles contribuent à la survie de la microalgue en stress lumineux en dissipant l’excès d’énergie absorbée (De Bashan et al., 2008). De plus, il a été constaté que l’irradiance avait des effets sur l’assimilation des substrats. Ainsi, une augmentation de l’irradiance permet d’accroître la vitesse d’assimilation du nitrate par la grande majorité des microalgues mais n’a aucun effet sur l’assimilation de l’azote organique, qui peut donc avoir lieu à l’obscurité (Perez-Garcia et al., 2011).

Le cycle d’éclairage utilisé a aussi un impact sur l’activité photosynthétique et donc sur le métabolisme des microalgues. Plus la phase d’éclairage est longue plus les rendements en biomasse et l’accumulation des lipides seront importants (Rebolloso Fuentes et al., 2000). En fonction de la phase dans laquelle se trouvent les microorganismes photosynthétiques, les mécanismes mis en jeu sont différents. La production de glucides est plus importante en présence de lumière et elle servira comme molécule de stockage d’énergie en absence de lumière (respiration). Ce phénomène de stockage de molécules énergétiques est plus amplement détaillé dans le chapitre 3.