Vers une meilleure valorisation d’Arthrospira platensis (Spiruline): contribution à l’optimisation de sa culture et de son .

Towards a better valorization of Arthrospira platensis (Spirulina) biomass: Contribution to the optimization of its culture and its refinery

• Auteur / Autrice : Alejandra Gutierrez marquez
• Direction : Elisabeth Badens, Christelle Crampon
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur : Génie des Procédés
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : M2P2 - Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Fluides Hétérogènes & Milieux Réactifs
• Jury : Président / Présidente : Luc Marchal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elisabeth Badens, Céline Laroche, Miguel Herrero, Abril Lansoy, Christelle Crampon, Gatien Fleury
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Céline Laroche, Miguel Herrero

Mots clés

Mots clés libres

Biomasse

Microalgues

Fractionnement

Bioprocédés

Bioraffinerie

Biomass

Microalgae

Fractionation

Bioprocess

Biorefinery

Résumé

Utilisée en agroalimentaire, nutraceutique et cosmétique sous forme brute ou de produit raffiné, A. platensis suscite un intérêt croissant mais sa culture et son bioraffinage représentent un réel défi. Ce doctorat s’est attaché à proposer et tester des procédés durables pour améliorer ces deux aspects. Ce travail contribue à évaluer le potentiel de réutilisation du CO₂ par A. platensis lors de sa culture et l'impact des photopériodes sur sa productivité en biomasse et pigments. L'assimilation du CO₂ est caractérisée via un modèle adossé à des mesures expérimentales. Dans les conditions de laboratoire testées, une photopériode de 24 heures augmente à la fois la productivité en biomasse de 74 % et la teneur en phycocyanine de 35 %. Les extractions sous pression sont réalisées par des mélanges éthanol/eau (PLE) et CO₂ supercritique (scCO2). Les conditions optimales trouvées en PLE sont 60°C/100 % d'éthanol et 65 °C/90 % d'éthanol (v/v) à 103 bar, respectivement pour une biomasse avec et sans extraction préalable des phycobiliprotéines par macération. L'extraction par scCO2, dont la cinétique a été modélisée par les équations de Sovová, induit une perte de masse de 7,7 % à 60 °C et 300 bar. Ce travail permet de proposer un schéma de bioraffinerie en trois étapes, commençant par une première extraction de la biomasse par macération aqueuse afin d’extraire les phycobiliprotéines. Une deuxième étape d’extraction à l’éthanol sous pression permet la séparation ensuite un mélange de pigments lipophiles et composés phénoliques antioxydants. Puis, après séchage, l’extraction de la fraction apolaire par scCO2 permet d’isoler une fraction huileuse riche en caroténoïdes et d’obtenir une biomasse résiduelle riche en protéines.

The rising popularity of vegan diets is driving demand for A. platensis biomass, known for its nutritional density. Widely utilized in food, nutraceuticals, and cosmetics, A. platensis encounters challenges in cultivation and extraction. This doctoral program focuses on developing sustainable processes to improve both cultivation and extraction methods. The study assesses A. platensis' CO₂ reutilization potential and the impact of photoperiods on biomass and pigment productivity (phycobiliproteins, Chlorophyll a, and carotenoids) in both laboratory and greenhouse settings. CO₂ assimilation is characterized using a cross-model with experimental measurements. A 24-hour photoperiod increases biomass productivity by 74%, and laboratory phycocyanin content by 35%. The second part of the study focuses on pigment extraction using a water/ethanol mixture (PLE) and supercritical CO₂ (scCO2). Optimal PLE conditions are 60°C/100% ethanol and 65°C/90% ethanol (v/v) at 103 bar, for biomass undergoing maceration of phycobiliproteins and without prior extraction, respectively. ScCO2 extraction results in a mass loss of 7.7% at 60°C and 300 bar. Kinetics are modeled using Sovová's equations to identify phenomena limiting material transfer based on pretreatment. A valorization process is proposed, starting with the extraction of fresh biomass through aqueous maceration to extract phycobiliproteins. A second step involves ethanol pressurized extraction, yielding a mixture of lipophilic pigments and antioxidant phenolic compounds. After drying, supercritical CO₂ extraction of the apolar fraction isolates an oily portion rich in carotenoids and a residual biomass with nutritional value.