Production par Dunaliella salina et extraction en continu de β-carotène par couplage d'un photobioréacteur et d'une chromatographie de partage centrifuge

Production by Dunalellia salina and continuous extraction of β-carotène by coupling a photobioreactor and centrifugal partition chromatography

• Auteur / Autrice : Mariem Mojaat Guemir
• Direction : Alain Foucault, Jérémy Pruvost, Jack Legrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mécanique, thermique et génie civil (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés (Saint-Nazaire, Loire-Atlantique)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques - École polytechnique universitaire de Nantes Université

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stress oxydatif

Carotènes

Résumé

Les travaux présentés dans ce manuscrit traitent de la mise en place d’un procédé permettant une production et une extraction en continu du β-carotène issu de microalgues. Ceci repose sur l’association de deux systèmes, à savoir un photobioréacteur permettant la production en continu et sous conditions de stress de l’algue Dunaliella salina enrichie en β-carotène, et une chromatographie de partage centrifuge (CPC) utilisée pour l’extraction biocompatible de ce composé. La première partie de ce travail a donc consisté en la recherche de conditions particulières de culture permettant la production continue de Dunaliella salina enrichie en β-carotène, la synthèse de ce composé étant souvent au détriment de la croissance, empêchant alors ce mode de culture d’être mis en place. L’effet de l'ajout de fer à une source de carbone organique (acétate ou malonate) au milieu de culture a été étudié vis à vis de la croissance et de la biosynthèse du β-carotène. Les études préliminaires en mode discontinu ont montré que les ions Fe2+ stimulent la synthèse du β-carotène en induisant un stress oxydatif, mais avec toutefois une perte importante de biomasse en partie compensée par l’ajout de la source organique. L’ajustement des concentrations dans le milieu a permis de trouver le compromis nécessaire entre croissance et stress pour appliquer ce protocole à la culture continue en photobioréacteur, avec production de biomasse riche en β-carotène. La seconde partie de ce travail concerne la phase d'extraction. Un point critique a été lié au choix du solvant qui doit dans le cas présent permettre une extraction importante tout en restant biocompatible, et donc préserver les cellules vivantes lors de la phase d’extraction. Ces deux effets étant contraires, une stratégie de sélection de solvants a été mise au point à partir des caractéristiques influençant chacun de ces deux aspects. L��efficacité d’extraction du mélange (décane-CH2Cl2) a ainsi été révélée. L’utilisation de la CPC en tant qu’extracteur a impliqué également une optimisation des conditions opératoires de ce procédé, permettant au final une extraction en continu tout en préservant la vitalité des microalgues, par percolation dans la CPC de la culture et du solvant de façon co-courante. Un essai de couplage entre le photobioréacteur de production et l’extraction en CPC a finalement été réalisé, montrant la faisabilité et la pertinence du procédé par rapport aux techniques existantes.

The works presented in this manuscript deal with the setting up of a process for continuous production and extraction of β-carotene from microalgae. This is based on the association of two systems, a photobioreactor allowing the continuous production of the algae Dunaliella salina enriched in β-carotene under stress conditions, and a centrifugal partition chromatography (CPC) used for the biocompatible extraction of this compound. The first part of this work was therefore the search of culture conditions allowing the continuous production of Dunaliella salina enriched in β-carotene, the synthesis of this compound being often at the expense of growth, previnting this culture mode to be established. The effect of adding iron to an organic carbon source (acetate or malonate) in the culture medium has been studied. The preliminary studies in batch showed that the ions Fe2+ stimulate the synthesis of β-carotene by inducing oxidative stress, but with a significant biomass loss partially offset by the organic source addition. The adjustment of the concentrations in medium has led to a compromise between growth and stress, and a protocol on continuous culture in photobioreactors, with production of biomass enriches in β-carotene, has been set up. The second part of this work was dedicated to the extraction phase. A critical point was the choice of a solvent which must allow a significant extraction while remaining biocompatible, thus preserving viable cells during the extraction phase. To solve this antagonism, a solvent selection has been developed from the characteristics affecting each of these two aspects. The extractive efficiency of the mixture (decane-CH2Cl2) has been highlighted. The use of CPC as an extractor needs the optimization of the operating conditions of this process, allowing a continuous extraction while maintaining the microalgal vitality, by percolation in CPC of the culture and the solvent in the co-current mode. A coupling between production in a photobioreactor and extraction in CPC has been finally achieved, showing the feasibility and the pertinence of the process compared to existing techniques.