Culture de microalgues sur phase aqueuse issue de liquéfaction hydrothermale

Microalgae cultivation on recycled hydrothermal liquefaction aqueous phase

• Auteur / Autrice : Laura Adriana Ramirez Romero
• Direction : Jean-Philippe Steyer, Florian Delrue
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie et Microbiologie
• Date : Soutenance le 04/05/2023
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biotechnologie de l'Environnement (Narbonne)
• Jury : Président / Présidente : Filipa Lopes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Steyer, Florian Delrue, Filipa Lopes, Jérémy Pruvost, Céline Laroche, Gaël Bougaran
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Filipa Lopes, Jérémy Pruvost

Mots clés

Mots clés libres

Microalgue

Liquéfaction hydrothermale

Biomasse

Biocombustible

Évolution de laboratoire adaptative

Microalgae

Hydrothermal liquefaction

Aqueous phase recycling

Biofuel

Adaptive laboratory evolution

Biomass

Résumé

Les microalgues représentent une source prometteuse de biomasse pour la production d'énergie renouvelable comme alternative aux combustibles fossiles. La liquéfaction hydrothermale (HTL) est un moyen de convertir la biomasse algale humide en biocarburant. L'HTL produit un bio-brut et un sous-produit, la phase aqueuse (AP). Cet effluent représente une riche source de nutriments pour la culture des microalgues, mais sa toxicité limite son recyclage. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet ANR RAFBIOALG, qui étudie chaque étape de la conversion globale de la microalgue en biocarburant par HTL. L'objectif spécifique de cette thèse était d'étudier le potentiel et les limites du recyclage de l'AP pour la production de nouvelle biomasse microalgale. Pour ce faire, la première étape a consisté à sélectionner une souche de microalgue permettant la production d'un intrant de haute qualité pour l'HTL. Cette première étude a comparé la qualité de la biomasse et la teneur en lipides de six souches de Chlorellaceae. Chlorella vulgaris NIES 227 s'est distinguée comme une souche idéale pour les biocarburants à base de lipides. Elle a produit 54% de lipides en conditions phototrophiques et avait le contenu énergétique le plus élevé.Pour réussir à utiliser l'AP pour la production de biomasse, il a fallu évaluer la tolérance des microalgues et l'impact de l'AP sur la qualité de la biomasse. La réponse des microalgues à l'AP a été suivie au cours de quatre cycles de croissance, suivis d'un cinquième cycle prolongé. Les résultats ont montré que quelques cycles d'acclimatation à l'AP permettaient d'améliorer le taux de croissance des microalgues. L'utilisation de l'AP comme substrat a réduit les besoins des souches en nutriments (N, S et P) tout en produisant entre 2,95 et 4,27 g/L de biomasse ayant une teneur en lipides entre 16% et 36%. Cependant, la présence d'AP a donné lieu à une biomasse aux propriétés non optimales, car elle a réduit la production de biomasse, ralenti l'accumulation de lipides et donc réduit le contenu énergétique global de la biomasse dans toutes les souches. C. vulgaris NIES 227 a conservé la meilleure productivité lipidique et le meilleur profil lipidique pour l'HTL parmi les souches testées.Le recyclage de l'AP a donc favorisé la croissance des microalgues, mais d'autres mesures ont été nécessaires pour atténuer ses effets inhibiteurs : réduction des performances photosynthétiques et du taux de croissance, et biomasse de moindre qualité pour la HTL. Pour atténuer cette inhibition, l'évolution adaptative en laboratoire (ALE) a été étudiée via des dilutions successives et en mode turbidostat sur C. vulgaris NIES 227. Ces deux méthodes ont permis de compenser efficacement la toxicité de l'AP observée chez la souche sauvage. Les deux souches ALE produites, cultivées en AP, ont maintenu des productivités (0,310 et 0,258 g/L/j) de biomasse riche en lipides (37 et 56% respectivement) pour la conversion par HTL, proche de la souche sauvage en milieu contrôle avec 0,261 g/L/j et 60 % des lipides. Il est intéressant de noter que la tolérance acquise par les souches adaptées a persisté après l'élimination de l'AP et dans des conditions axéniques. Cette thèse souligne l'importance de la sélection et de l'optimisation des souches, qui restent stratégiques pour la production de sources d'énergie durables. Les résultats prometteurs de C. vulgaris NIES 227 pour la production de biocarburant à partir de lipides soulignent la nécessité d'une recherche et d'un développement continus dans ce domaine. En outre, l'ALE apparaît comme une approche prometteuse pour améliorer la tolérance des microalgues à la toxicité de l'AP, qui peut être mise en œuvre pour gérer d'autres composés toxiques ou des effluents contenant des inhibiteurs de croissance. Cette thèse fournit des informations et des recommandations précieuses pour le recyclage réussi de l'AP, contribuant ainsi à la transition vers des sources d'énergie durables.

Microalgae are a promising source of biomass to produce renewable energy as an alternative to fossil fuels. Hydrothermal liquefaction (HTL) is a route for converting wet algal biomass into biofuel. HTL produces biocrude oil to an aqueous phase (AP). This effluent represents a rich source of nutrients for microalgae cultivation that remains limited by its toxicity. Recycling the AP as a substrate is proposed to recover nutrients and close the photosynthetic loop, produce more algal biomass, and turn this biomass into a new biocrude.This thesis was conducted within the framework of the ANR project RAFBIOALG. The project studies each stage and overall microalgae-to-biofuel conversion through HTL. The specific objective of this thesis was to investigate the potential and limitations of AP recycling for the production of new microalgal biomass. The first step was to select an appropriate strain to produce high-quality feedstocks for HTL. This first study compared the biomass quality and lipid content of six Chlorellaceae strains under balanced nutrient limitation to promote storage-compound accumulation. Chlorella vulgaris NIES 227 stood out as the most promising candidate for lipid-based biofuels and produced 54% lipids in phototrophic conditions with the highest energy content.To successfully incorporate the AP during biomass production, the microalgae tolerance and the AP impact on biomass quality were assessed. The microalgae's response to the AP was monitored over five cycles of growth under nutrient-replete conditions. The last cycle was prolonged to reach nutrient-limiting conditions to assess the AP effect on lipid accumulation. The results demonstrated that a few cycles of acclimation to the AP were effective in improving the microalgal growth rate. Using AP as a substrate reduced the need for external N, S, and P, while producing 2.95-4.27 g/L of biomass with 16%-36% lipid content. However, the presence of the AP overall reduced biomass production and it slowed down the accumulation of lipids. This resulted in biomass with suboptimal characteristics, as it reduced the overall energy content of the biomass in all strains. Nevertheless, Chlorella vulgaris NIES 227 maintained the best lipid productivity and lipid profile for HTL among the tested strains.It was identified that recycling AP supported microalgal growth, yet further measures were necessary to alleviate its inhibitory effects: reduced photosynthetic performance, compromised growth rate, and lower-quality biomass for HTL. To mitigate this inhibition, adaptive laboratory evolution (ALE) was studied via batch transfers and turbidostat mode on Chlorella vulgaris NIES 227. Both methods effectively counterbalanced the AP toxicity observed in the wild-type (WT) and produced two distinctive ALE strains. The resulting ALE strains, grown in AP, maintained competitive productivities (0.310 and 0.258 g/L/d) of lipid-rich biomass (37-56%). These results showed the potential of AP-grown biomass for HTL conversion, which was similar to the WT in the control medium at 0.261 g/L/d and 60% of lipids. Interestingly, the acquired tolerance of the adapted strains persisted after the removal of AP and under axenic conditions. Overall, this thesis stresses the importance of strain selection and optimization, which are essential for any microalgal application yet remain strategic for the production of sustainable energy sources. The promising results of Chlorella vulgaris NIES 227 for lipid-based biofuels further highlight the need for continuous research and development in this field. Additionally, ALE emerges as a promising approach to improving the tolerance of microalgae to AP toxicity, which can be implemented to manage other toxic compounds or effluents containing growth inhibitors. This thesis provides valuable insights and recommendations toward the successful recycling of the AP, ultimately contributing to the transition toward sustainable energy sources.