Récolte de biomasse microalgale par floculation naturelle et procédés membranaires

Harvesting microalgae by natural flocculation and membrances processes

• Auteur / Autrice : Thi Dong Phuong Nguyen
• Direction : Patrick Bourseau, Matthieu Frappart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l’Ingénieur, Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Filtration

Floculation

Chlorella vulgaris

Microalgues

Biocarburants

Mots clés libres

Filtration tangentielle

Filtration dynamique

Floculation naturelle

Résumé

La récolte de microalgues contribue pour une part non négligeable au coût total du procédé d’exploitation. Identifier et caractériser des procédés peu énergivores pour remplacer totalement ou partiellement le procédé de référence qu’est la centrifugation représente un enjeu majeur. Ce travail s’intéresse à la floculation naturelle et aux procédés membranaires. Il a montré que la floculation naturelle permettait, par précipitation de composés de phosphates de calcium ou de magnésium lors de la remontée naturelle du pH, de préconcentrer les cellules jusqu’à 30 gMS. L-1. Ce processus, relativement long, doit être maîtrisé en adaptant la composition ionique des milieux de culture (nitrate comme source d’azote, concentrations en ions Ca2+, PO4 3-, Mg2+). Cette solution ne semble envisageable que pour les souches microalgales marines dont les milieux sont riches en ces composés. Vu les concentrations modérées atteintes, cette floculation peut être considérée comme une technique de préconcentration qui nécessitera une étape supplémentaire de concentration. Le travail a également investigué les procédés membranaires monoétagés sans gestion des flux de perméation (rétrolavage, augmentation des taux de cisaillement…), qui ont permis de (pré)concentrer les cellules microalgales jusqu’à 100 gMS. L-1 avec des flux de perméation faibles (<30 L. H-1. M-2). L’emploi de la filtration dynamique, qui limite le colmatage, a autorisé l’obtention de flux de filtration plus élevés (40<J<80 L. H-1. M-2). La baisse modérée de ces flux au cours de la concentration des cellules permet d’être optimiste quant à la capacité de ce type de filtration d’atteindre des concentrations élevées en une seule étape.

Harvesting step in a global operating microalgae process whose contribute substantially to whole process cost. Identifying and characterizing low-energy processes to fully or partially replace centrifugation, the reference method, represents a major challenge. In this context, the present work investigates the potential of natural flocculation and membrane processes. So, it has been shown that the natural rise in the culture pH associated with photosynthesis allowed cells flocculation by the precipitation of calcium phosphate or magnesium compounds. Thus, the cells could be preconcentrated up to 30 gMS. L-1. This process is rather long and must be controlled by adjusting the ionic composition of the culture media (nitrate as the nitrogen source; concentrations in Ca2+, PO4 3-, Mg2+). Natural flocculation seems feasible only for marine microalgal strains for which culture media are rich in salts, but not for freshwater strains. As natural flocculation produces a low concentrated harvest, it should be considered as a preconcentration technique which will probably require an extra step of concentration for most of applications. One stage membrane processes without fouling control (backwashing, enhancing shear-rate. . . ) was also investigated. Microalgal cells were concentrated up to 100 gMS. L-1 but with low permeation flux (< 30 L. H-1. M-2). Enhanced dynamic filtration that limits strongly membrane fouling allowed to obtain higher filtration fluxes (40 < J < 80 L. H-1. M-2). The moderate flux fall with cells concentration is promising regarding the ability of this kind of filtration to reach high cell concentrations in a single step.