Étude et optimisation de la transestérification enzymatique in situ dans les microalgues pour la production d'esters d'acides gras

Study and optimization of in situ enzymatic transesterification in microalgae for fatty acid esters production

• Auteur / Autrice : Mariana Mariana Peña
• Direction : Maeva Subileau
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : APAB-Biotechnologie, Microbiologie
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2025
• Etablissement(s) : Institut Agro
• Ecole(s) doctorale(s) : Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IATE - Ingénierie des Agropolymères et Technologies Emergentes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Ingénierie des Réactions Biologiques - IRB
• Partenaire(s) de recherche : École d'inscription : L'Institut Agro Montpellier (2020-....)

Mots clés

Mots clés libres

Biotechnologie

Lipides

Microalgues

Biocatalyse

Biotechnology

Biocatalysis

Lipids

Microalgae

Résumé

Pour que la bioéconomie soit circulaire, les biodéchets doivent être correctement traités et recyclés en produits utiles via des processus de bioraffinage environnemental (EB). Alors que l'utilisation de microalgues est actuellement prohibitive pour des applications à faible valeur ajoutée, leur mise en œuvre dans les procédés EB est une alternative prometteuse pour diminuer les coûts de production de biomolécules de microalgues renouvelables. Cependant, d'autres innovations technologiques sont encore nécessaires au niveau de la culture, de la récolte, du fractionnement, de la fonctionnalisation et de la séparation des composants de la biomasse de microalgues pour optimiser l'ensemble du processus de transformation. De plus, la co-valorisation des molécules et le recyclage des effluents de procédés sont essentiels pour accroître la valeur ajoutée et la durabilité. Dans ce contexte, le projet WAEster propose d'explorer un procédé EB intégré qui couple des microalgues cultivées sur des effluents de fermentation non traités à la production et à la séparation d'esters éthyliques d'acides gras (FAEE). Le procédé vise à récupérer et valoriser un maximum de constituants de microalgues et d'effluents de procédé en un minimum d'étapes et avec une consommation d'énergie minimale afin de réduire les coûts. Dans des projets antérieurs financés par l'Institut Carnot 3BCAR et INRAE, les partenaires LBE et IATE du consortium actuel ont démontré la faisabilité (1) de la culture de microalgues sur des effluents issus de la fermentation sombre (étapes initiales de la digestion anaérobie) de déchets organiques suivie de (2) transestérification enzymatique des lipides de microalgues en esters éthyliques d'acides gras (FAEE) directement sur la biomasse humide. Deux espèces d'algues différentes ont été identifiées, qui se développaient bien sur les effluents bruts, contenant encore des bactéries, et qui étaient également propices à une conversion ultérieure jusqu'à 90 % des acides gras (AG) en FAEE. Ici, le projet WAEster vise à intégrer ces étapes de production primaire et de conversion dans un processus EB circulaire complet, en complétant le cycle par l'étude et le développement d'étapes de traitement en aval adaptées (DSP). Les paramètres de culture de microalgues dans des photobioréacteurs (PBR) tels que la lumière, le taux de charge organique et le temps de rétention, ainsi que le lien entre le profil lipidique de la biomasse et le rendement en FAEE du processus de transestérification seront approfondis afin de comprendre et de piloter un processus stable. , et optimiser la productivité du FAEE. L'étape cruciale de la récolte de la biomasse sera abordée à l'aide de la floculation/flottation, un processus de séparation efficace et à très faible consommation d'énergie qui provoque des contraintes minimes sur la biomasse, ce qui peut à son tour avoir un impact positif sur la fonctionnalisation des lipides in situ. Des procédés de filtration membranaire seront étudiés pour purifier les FAEE sans utiliser de solvant organique et, en fonction de leur composition, pour recycler les résidus liquides et solides qui se forment au cours du procédé. Une caractérisation des fractions solides et liquides sera nécessaire pour optimiser la valorisation des coproduits et le recyclage des déchets, afin d'assurer la circularité du procédé. Les fractions résiduelles seront recyclées dans la fermentation sombre. Chaque étape sera optimisée à l'échelle du laboratoire pour atteindre le TRL 4, une preuve de concept du processus. Pour renforcer cette preuve de concept, le procédé sera ensuite étendu à une production de FAEE à l'échelle du gramme, ouvrant la voie à une exploitation ultérieure en collaboration avec le secteur privé. Ce projet s'inscrit dans le thème du PEPR ''Nouveaux schémas de transformation de la biomasse''et comprend également les thèmes ''Caractérisation de la biomasse'' et ''Contrôle des systèmes biologiques''.

For the bio-economy to be circular, biowaste needs to be properly treated and recycled into useful products via environmental biorefinery (EB) processes. While the use of microalgae is currently prohibitivefor lower added value applications, their implementation in EB processes is a promising alternative to decrease production costs of renewable microalgal biomolecules. However, further technological innovations are still needed at the level of cultivation, harvesting, fractionation, functionalization and separation of the components of the microalgal biomass to optimize the entire transformation process. In addition, co-valorization of molecules and recycling of process effluents is essential to increase added value and sustainability. In this context, the WAEster project proposes to explore an integrated EB process that couples microalgae cultured on untreated waste fermentation effluents to the production and separation of fatty acid ethyl esters (FAEEs). The process aims to recover and valorize a maximum of microalgae constituents and process effluents in a minimum of steps and with minimal energy consumption in order to reduce cost. In previous projects funded by the Carnot Institute 3BCAR and INRAE, the LBE and IATE partners of the current consortium demonstrated the feasibility of (1) the cultivation of microalgae on effluents from the dark fermentation (initial steps of anaerobic digestion) of organic waste followed by (2) enzymatic transesterification of the microalgal lipids into fatty acid ethyl esters (FAEEs) directly on wet biomass. Two different algal species were identified that grew well on the raw effluents, still containing bacteria, and that were also conducive to subsequent conversion of up to 90% of fatty acids (FA) into FAEEs. Here, the WAEster project aims at incorporating these primary production and conversion stages into a complete circular EB process, completing the cycle by the study and development of adapted downstream processing (DSP) steps. Parameters of microalgae cultivation in photobioreactors (PBR) such as light, organic loading rate and retention time, and the link between the lipid profile of the biomass and the FAEE yield of the transesterification process will be deepened in order to understand and drive a stable process, and optimize FAEE productivity. The crucial step of biomass harvesting will be addressed using flocculation/flotation, a very low energy and efficient separation process that causes minimal stresses on the biomass, which can in turn positively impact in situ lipid functionalization. Membrane filtration processes will be studied to purify the FAEEs without the use of organic solvent, and, depending on their composition, to recycle the liquid and solids residues that arise during the process. To ensure the circularity of the process, systematic characterization of the solid and liquid fractions generated along the way will be necessary to adapt and optimize co-products valorization and waste recycling. For example, residual fractions generated will be evaluated for recycling in the dark fermentation phase. The project involves investigating and optimizing each step of the process at the laboratory scale to achieve a proof of concept (TRL 4). After this, the process will be scaled up by an order of magnitude (10L PBR) to produce FAEE at the gram scale. This will pave the way for further collaboration with the private sector to exploit the WAEster process. The project aligns with the PEPR theme of developing new biomass transformation schemes, as well as intersecting with the themes of “characterizing the chemical and physical structure of biomass” and “understanding and controlling biological systems”.