Développement d’un photobioréacteur à membrane pour la valorisation des exopolysaccharides : étude de l’hydrodynamique, des transferts et optimisation des performances

1. contexte

Ces dernières années, les polysaccharides ont suscité un intérêt croissant en raison de leur utilisation dans les industries alimentaire, cosmétique et pharmaceutique, notamment pour leurs propriétés bioactives comme les activités antioxydante, anti-inflammatoire, antimicrobienne, anticoagulante, hépatoprotectrice et immunomodulatrice (1). De nombreuses microalgues (comme la souche Glossomastix sp., RCC3707 sélectionnée pour ce projet) produisent et excrètent, dans le milieu environnant, une matrice de gel polysaccharidique, souvent appelée mucilage ou ExoPolySaccharide (EPS). Cette matrice est censée assurer une protection contre divers stress biotiques et abiotiques, tels que la dessiccation, la concentration élevée en sels, les flux lumineux élevés, etc. Chez certaines souches, les EPS présentent des propriétés rhéologiques intéressantes et rares, caractéristiques des hydrogels faibles et fragiles qui manifestent un comportement rhéofluidifiant à faible contrainte de cisaillement (2). Ces propriétés originales sont très recherchées pour des applications médicales et cosmétiques (3, 4). Cependant, ces mêmes propriétés rhéologiques rendent difficile, voire impossible, la culture de ces microalgues dans des photobioréacteurs conventionnels de type colonne à bulles ou airlift. En effet, le comportement rhéologique rhéofluidifiant avec limite d'élasticité (2) empêche l’action de bullage dont le rôle est d’apporter le carbone inorganique aux microalgues, assurer l’agitation et le mélange du milieu et permettre le dégazage de l’O₂ produit par les microalgues, ce qui pourrait stopper la croissance cellulaire. Une dilution du milieu serait donc nécessaire pour remédier à ce problème (2). Selon Sun et al. (5), les propriétés rhéologiques des polysaccharides sont liées à leur degré de polymérisation. En effet, à concentration et poids moléculaire élevés, les solutions de polysaccharides présentent un comportement rhéofluidifiant, voire même des propriétés de fluides pseudoplastiques. La modification de la viscosité et/ou l’extraction des molécules à propriétés gélifiantes de ces milieux, au cours de la phase de culture, serait donc un moyen pour ne pas avoir des baisses de croissance par limitation en nutriment, accumulation d’O₂ ou par manque d’accessibilité à la lumière.

Ce projet de thèse vise à caractériser l’hydrodynamique et les transferts de masse dans un nouveau système de culture et de récupération des EPS qui permettra de satisfaire ces deux aspects en (i) imposant un cisaillement au milieu gélifiant, ce qui permettra de baisser sa viscosité par effet rhéofluidifiant, et en (ii) récupérant les EPS par filtration à travers une membrane rotative. D’abord, l'hydrodynamique locale et globale, le mélange et le transfert gaz-liquide seront caractérisés en utilisant une phase liquide non Newtonienne à haute viscosité pour imiter le comportement rhéologique du milieu de culture contenant des EPS. Cette première étape permettra de caractériser le photobioréacteur à membrane durant la phase de culture, mais aussi durant la phase de récupération des EPS par filtration dynamique et de mettre en évidence l’effet des conditions dynamiques (rotation de la membrane), ceci en présence une phase liquide non-Newtonienne (6). Enfin, une mise en culture de la souche sélectionnée dans ce projet sera effectuée sous des conditions hydrodynamiques fixées lors de la première étape. Les performances d’extraction des EPS par filtration dynamique seront aussi évaluées au cours de cette étape.

2. Description du travail de thèse

Ce projet de thèse portera donc sur l’étude d’une nouvelle configuration couplée de culture de microalgues et d’extraction des EPS en mettant l’accent sur les points suivants :

• Etude de l’hydrodynamique et du transfert gaz liquide dans le système

Cette partie débutera par une caractérisation rhéologique des EPS de la souche Glossomastix sp., RCC3707 et des solutions de fluides modèles (une solution de Gomme Xanthane et des EPS lyophilisés de Glossomastix sp., RCC3707), qui seront utilisés lors de l’étude de l’hydrodynamique et des transferts gaz-liquide, dans l’objectif de se rapprocher du comportement rhéologique du milieu de culture contenant ce type d’EPS. L'hydrodynamique des deux phases liquide et gazeuse au sein du système sera caractérisée par mesures PIV et ombroscopie, en testant plusieurs vitesses de rotation de la membrane de filtration et plusieurs débits d’injection du gaz. Des mesures de temps de mélange (7) seront effectuées dans l’objectif de mettre en évidence les influences respectives de la viscosité et de l'aération sur le mélange. Le transfert de matière gaz-liquide à l'échelle du réacteur sera caractérisé via des mesures de kLa (7). L'objectif de cette partie de la thèse est d'identifier les conditions opératoires permettant d’améliorer le mélange et le transfert gaz-liquide dans les systèmes de culture, afin d'éviter la limitation du carbone inorganique et l'inhibition de l'oxygène.

• Effet du comportement rhéologique sur les performances hydrauliques et la sélectivité de la filtration en conditions dynamiques

Les solutions d’EPS visées par cette étude sont très visqueuses, même à faibles concentrations, et ont un comportement rhéologique rhéofluidifiant avec limite d'élasticité. Une étude paramétrique de la filtration des solutions modèles à partir d’EPS lyophilisés de Glossomastix sp. RCC3707 et de gomme Xanthane, sera effectuée. Les performances hydrauliques et de sélectivité seront évaluées au regard de différentes conditions de fonctionnement : vitesse de rotation de la membrane, valeur de la pression transmembranaire, propriété de la membrane (diamètre de pores, matériau membranaire). L’impact de la diminution de la viscosité apparente de la solution d’EPS, par action dynamique, sur le flux de perméat sera évalué. L’objectif de la filtration est d’optimiser les conditions opératoires permettant de retenir les microalgues et les impuretés tout en laissant passer les EPS.

• Identification des limites biologiques et physiques des conditions opératoires imposées par le système lors de la bioproduction et l’extraction des EPS

Une étape de validation des conditions opératoires définies au cours des deux premières phases sera effectuée au cours de cette partie et ceci en présence d’une culture de microalgues de la souche Glossomastix sp. RCC3707.

L’objectif sera d'évaluer l'impact du stress mécanique imposé par la rotation de la membrane et la filtration sur les microalgues (état physiologique, activité et viabilité photosynthétiques, croissance et productivité des microalgues, etc.) et sur les composés extracellulaires (composition biochimique, productivité spécifique, composition et quantité des EPS en monosaccharides, etc.).

3. Profil recherché

Des connaissances en génie des (bio-)procédés et en hydrodynamique sont nécessaires pour mener à bien ce sujet. Un fort attrait pour les méthodes expérimentales est également indispensable.

Le(a) candidat(e) devra faire preuve d’autonomie et présenter un esprit d’initiative marqué. Le(a) candidat(e) justifiera des connaissances théoriques et/ou pratiques lui permettant de mettre en œuvre les expériences de laboratoire relatives au projet :

• développer et rédiger des protocoles expérimentaux,
• rendrecompte des résultats et des observations, tenir un cahier de laboratoire,
• analyser et interpréter les résultats,
• mettre en forme les résultats et rédiger des rapports et publications scientifiques,
• présenter ses résultats en réunion d’équipe.
• Une bonne maîtrise des langues française et anglaise est indispensable.

Références :

1.            C. Delattre, G. Pierre, C. Laroche, P. Michaud, Production, extraction and characterization of microalgal and cyanobacterial exopolysaccharides. Biotechnology advances 34, 1159-1179 (2016).

2.            V. Dulong et al., Exopolysaccharide from marine microalgae belonging to the Glossomastix genus: fragile gel behavior and suspension stability. Bioengineered 15, 2296257 (2024).

3.            O. Gonçalves et al., in Patent. (France, 2021), vol. FR2102024.

4.            O. Goncalves et al., in Patent. (France, 2021), vol. FR2102020.

5.            L. Sun, C. Wang, Q. Shi, C. Ma, Preparation of different molecular weight polysaccharides from Porphyridium cruentum and their antioxidant activities. International Journal of Biological Macromolecules 45, 42-47 (2009).

6.            S. Almani, W. Blel, E. Gadoin, C. Gentric, Global characterization of hydrodynamics and gas-liquid mass transfer in a thin-gap bubble column in presence of Newtonian or non-Newtonian liquid phase. Chemical Engineering Science 282, 119291 (2023).

7.            C. Thobie, E. Gadoin, W. Blel, J. Pruvost, C. Gentric, Global characterization of hydrodynamics and gas-liquid mass transfer in a thin-gap bubble column intended for microalgae cultivation. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 122, 76-89 (2017).

https://www.univ-nantes.fr/

https://www.gepea.fr/ 

Des connaissances en génie des (bio-)procédés et en hydrodynamique sont nécessaires pour mener à bien ce sujet. Un fort attrait pour les méthodes expérimentales est également indispensable.

Le(a) candidat(e) devra faire preuve d’autonomie et présenter un esprit d’initiative marqué. Le(a) candidat(e) justifiera des connaissances théoriques et/ou pratiques lui permettant de mettre en œuvre les expériences de laboratoire relatives au projet :

• développer et rédiger des protocoles expérimentaux,
• rendrecompte des résultats et des observations, tenir un cahier de laboratoire,
• analyser et interpréter les résultats,
• mettre en forme les résultats et rédiger des rapports et publications scientifiques,
• présenter ses résultats en réunion d’équipe.
• Une bonne maîtrise des langues française et anglaise est indispensable.