Biotechnologies algales : état actuel et perspectives de

Biotechnologies algales : état actuel et perspectives de valorisation de la biomasse
25 novembre 2015
Prof. Fabrice Franck
Laboratoire de Bioénergétique
Université de Liège
Macro- et micro-algues
Micro
Scenedesmus
Chlorella
Macro
Haematococcus
Arthrospira
(spiruline; cyanobactérie)
Ex.: Porphyra (‘Nori’)
Production mondiale annuelle de macroalgues
(2010) : 16 millions de tonnes (masse humide)
(source: FAO)
Production mondiale annuelle de microalgues
(2015) : 15000 tonnes (masse sèche)
Les macro-algues, sources de biomatériaux et bioproduits dérivés de polysaccharides
Sites de production actuels:
- principalement Asie Orientale: Chine, Corée, Japon, Indonésie et Philippines
- Production européennes en France atlantique, en Irlande
- Cultures côtières (systèmes de radeaux, cordages,…)
Caractéristiques générales de la biomasse des macroalgues cultivées:
- haut contenu (60-80 %) en polysaccharides de structures chimiques variées et
originales
- Absence de lignine
- Faibles taux de protéines et lipides
Culture de
Porphyra
yezoensis (Nori)
(macroalgue
rouge), Chine
Liu et al. (2009)
Marine Pollution
Bulletin 58, 888–895
Applications principales: alimentation humaine et hydrocolloïdes
Macro-algues brunes
Alginates: applications ‘non-food’ (matrice de bio-catalyseurs, industrie du
papier, agents de texture, bioplastiques)
Fucoidanes: applications pharmaceutiques (agent antitumoral)
Macro-algues rouges
Carraghénanes: agents épaississants, stabilisants et émulsifiants pour
l’industrie alimentaire
Agar: agent gélifiant largement utilisé dans la recherche biomédicale
Macro-algues vertes
Ulvanes: applications potentielles ‘santé’ (immunostimulant, antiviral) et
‘nanomatériaux’ (composites argile-ulvane)
Culture de
Saccharina japonica
(Kelp) (macroalgue
brune), Chine
Collecteur de Kelp
http://www.seaweed.ie
Les cultures en masse de microalgues
Cultures à ciel ouvert : ‘raceways’
Cultures en photobioréacteurs
Wijfels, Barbosa (2010) Science 329: 5993
Culture de chlorelles en PBR sous par la société Roquette, Klötze, RFA
Culture à ciel ouvert d’Odontella
aurita (diatomée marine) à Bouin
(Vendée), société InnovalG:
production d’ingrédients
alimentaires enrichis en EPA/DHA
(omega-3)
Principe général du ‘raceway’ ou
‘chenal algal’
Culture d’Haematococcus en PBR par la
société Algae Technologies, Israël
Microalgues : quelques chiffres
Rendements, coûts
Productivité en biomasse sèche: 40-120 T.ha-1.an-1
Efficacité d’utilisation théorique de l’énergie lumineuse: 10 % ( 400 T.ha-1.an-1)
En réalité: 1 à 3 % dans beaucoup de cas, même sans limitation par le CO2
Consommation de CO2 : 1,8 à 2,0 T CO2 /T biomasse sèche
Consommation d’eau: 0,6 m3 / kg biomasse sèche (‘raceway’)
Prix de revient de la biomasse: variable de 1,5 € à 15 € / kg sec (‘raceway’)
Marchés
Production mondiale de microalgues actuelle: 10000 T / an
Principales espèces cultivées: Athrospira platensis (spiruline), chlorelles, Dunaliella salina,
Haematococcus pluvialis
Marchés principaux:
- Aquaculture: 0,5 milliards €
- Compléments alimentaires: 1,8 milliards €
Marchés en forte croissance ( 10%/an): caroténoïdes naturels, phycobiliprotéines, acides
gras polyinsaturés (omega-3 à longue chaîne)
Nouveaux produits en développement: ex, la fucoxanthine extraite de diatomées, les
phytostérols de microalgues
Microalgues: produits et marchés
marché
alimentaire, nutraceutique
catégorie
pigments, antioxydants
composant
à l'étude
en
concept proof développement
beta-carotene, astaxanthine, phycocyanine
sur le
marché
x
lutéine, fucoxanthine
x
acides gras
huiles (EPA, DHA)
x
complément alimentaire
biomasse brute (spiruline, chlorelle)
x
probiotiques
extraits bruts
anti-cholesterol
phytosterols
immuno-stimulants
beta-glucanes
agents cicatrisants
polysaccharides extracellulaires
antiviral
polysaccharides sulfatés
x
antitumoral
Cryptophycine (Nostoc sp.)
x
recherche biomédicale
pigments fluorescents
phycocyanine, phycoérytrhine
aliments aquacoles
nourriture poissons,
mollusques
algues fraîches congelées
x
cosmétique, parfumerie
composant crème
protéines, huiles
x
composant parfum
extraits, hydrolysats
pharma
x
x
x
x
x
écran solaire
matériaux
x
anti microbien
extraits
additif bioplastique
hydrates de carbone modifiés
algénanes
biofuel
bitume végétal
biomasse traitée
biodiésel
huiles, biomasse
x
x
x
x
x
Les microalgues dans le traitement des eaux usées: le ‘chenal algal à haut rendement’ HRAP
HRAP
Cuve
couverte
anaérobie
HRAP à Waikata, Nouvelle Zélande
‘HRAP’
Chenal algal
Cuve
sédimentation
algues
Bassins de maturation et
filtration
Adapté de Craggs R et al. (2014) New Zealand Journal of Botany 52, 60-73.
HRAP
Institut Agronomique
et Vétérinaire Hassan II
à Rabat
(Prof. B. El Hamouri)
Avantages:
- Surface réduite
- Faible consommation énergétique
- Réduction des boues bactériennes
- Efficacité (abattement N, P, bactéries coliformes,…)
Quelques projets à l’Université de Liège
Algae Factory: Caractérisation de souches de microalgues exploitables en procédé hétérotrophe
- Mise en place d’une plateforme de production
hétérotrophe de microalgues en fermenteurs
- Recherche de métabolites valorisables
- Amélioration de souches par mutagenèse
- Mise au point de procédés
- Montée en échelle
FotoBioMat (projet RW, programme Greenomat):
encapsulation de microalgues dans des matrices poreuses
pour la production de protéines recombinantes en
photobioréacteur
Algopar (projet First spin-off): commercialisation
d’extraits pour la parfumerie et la cosmétique
Algues et Béton (ARD Ulg): étude d’un micro-béton
renforcé à base de microalgues (utilisation d’algénanes
dans les procédés de fabrication du béton)
Phase d’exploration
Agalgam (projet RW First-Haute Ecole): activités
antibactériennes et antifongiques d’acides gras extraits de
microalgues
Les plateformes technologiques de recherche en Europe
Exemple: ALGOSOLIS (Université de Nantes à Saint-Nazaire)
Une infrastructure
complète comprenant
salles de culture et
d’analyse, zones de
production sous serre
thermorégulée ou en
extérieur, halle de récolte
et de bioraffinage des
microalgues.
http://algosolis.com/
La plateforme technologique de recherche sur les microalgues à l’Ulg: Algae Factory
Une initiative inter-UR (Inbios – Terra – Chemical Engineering)
Laboratoires recherche ULg
Sciences de la Vie
- Criblage de molécules
- Sélection de souches
- Optimisation métabolique
- Amélioration
(mutagenèse)
Productions pilotes: Algae factory
Production
phototrophe
Concentration et
séchage
Production hétérotrophe
Sciences de l’ingénieur et
Chimie
- Procédés de
concentration
- Bioingénierie
- Chimie analytique
- Chimie des matériaux
Extraction
Formulation
Portefeuille de projets FEDER ‘Algae Factory’ (1.900.000 €)
Ulg, UNamur, UMons