Conception de microsystèmes pour l’étude des propriétés diélectriques des microalgues

Investigation of the dielectric properties of micro-algae using microsystem technology

• Auteur / Autrice : Yu Sheng Lin
• Direction : Bruno Le Pioufle, Hsiang-Yu Wang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/07/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Qing hua da xue (Pékin)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et applications des technologies de l'information et de l'énergie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Jury : Président / Présidente : Fan-Gang Tseng
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Pierre Rols, Jo-Shu Chang, Filipa Lopes, Marie Frenea-Robin, Chen-Li Sun
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Pierre Rols, Jo-Shu Chang

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diélectriques

Lipides

Microalgues

Microtechniques

Mots clés libres

Microsystèmes

Microalgues

Lipides

Propriétés diélectriques

Dielectric properties

Lipid

Microsystem

Microalgae

Résumé

L’utilisation des micro-algues en tant que source alternative de bio-carburant, est un procédé prometteur. En effet ces micro-organismes ont un taux de croissance élevé, ainsi qu’un taux de production de lipides importants (ces lipides sont une source potentielle de bio-carburant). Cependant on ne dispose pas de méthode fiable et rapide pour quantifier le contenu lipidique des micro-algues, ce qui rend difficile l’optimisation de leur culture pour maximiser leur contenu lipidique, et définir le bon timing pour l’extraction lipidique.Ce projet de thèse propose d’avancer sur les deux objectifs que sont l’optimisation des conditions de culture pour améliorer la production de lipides, et l’établissement d’une méthode rapide et efficace pour quantifier le contenu de lipides de ces micro-algues.Afin de répondre au second objectif, nous proposons de combiner plusieurs méthodes de caractérisation électriques ou électromécaniques pour caractériser et suivre en temps réel le contenu de microalgues. Pour cela ces dernières seront sollicitées électriquement sur des puces microfluidiques miniaturisées, équipées de microélectrodes. Des expériences de diélectrophorèse, d’électrorotation, seront menées sur des cellules uniques. Les résultats obtenus (mesures de paramètres cellulaire, en particulier du contenu lipidique) seront comparés à ceux obtenus par des méthodes plus traditionnelles, caractérisant des échantillons plus volumineux contenant un grand nombre d’algues (spectrophotométrie, spectre Raman, mesure directe du poids des lipides).Sur cette base une méthode de quantification non invasive pour la mesure du contenu lipidique de micro-algues uniques, sera développée et utilisée pour l’optimisation des cultures en vue d’une meilleure production de lipides. Les indicateurs caractéristiques du taux de production lipidique seront extraits des spectres d’électrorotation, afin de faciliter la culture en masse de ces micro-organismes, dans une perspective industrielle.

Microalgae have emerged as one of the most promising feedstocks for biofuels because of their high growth rate, high lipid abundance, and little land requirement. However, due to the lack of effective tools enabling rapid and high throughput analysis of microalgae cellular contents, the efficiency of screening and optimizing of microalgae culture with desired lipid abundance is usually quite low.In this project, two issues are going to be completed jointly, one is optimizing microalgae culture condition with purposed high lipid content, and the second one is to establish a method to achieve fast and reliable real-time quantification of the cellular lipid content of microalgae. To achieve the second issue, we propose to combine several electrical or electromechanical measurements – dielectrophoresis induced movement analysis, electrorotation spectra - to characterize and monitor the growth of microalgae. To do so, the single micro-algae will be handled and analysed within a mincrofluidic device, equipped with micro-electrodes. Fast image acquisition will be required to monitor the movements of the single algae to which the electrical field is applied. The results achieved by those methods will be compared with the traditional methods (spectrophotometry, Raman spectra, Dry weight), which usually address larger volumes of samples, containing a large number of micro-algae. On this basis, a noninvasive quantification of intracellular lipids of single microalgae cell will be developed and applied to observe the lipid accumulation of microalgae under different lipid accumulation strategies. The rapid quantification of lipid abundance in single cell might be achieved using characteristic parameters of the electrorotation spectrum of single microalgae.