Commercial Applications of Microalgae

The first use of microalgae by humans dates back 2000 years to the Chinese, who used Nostoc to survive during famine. However, microalgal biotechnology only really began to develop in the middle of the last century. Nowadays, there are numerous commercial applications of microalgae. For example, (1) microalgae can be used to enhance the nutritional value of food and animal feed owing to their chemical composition, (2) they play a crucial role in aquaculture and (3) they can be incorporated into cosmetics. Moreover, they are cultivated as a source of highly valuable molecules. For example, polyunsaturated fatty acid oils are added to infant formulas and nutritional supplements and pigments are important as natural dyes. Stable isotope biochemicals help in structural determination and metabolic studies. Future research should focus on the improvement of production systems and the genetic modification of strains. Microalgal products would in that way become even more diversified and economically competitive

Improvement of the growth of Arthrospira (Spirulina) platensis from Toliara (Madagascar): Effect of agitation, salinity and CO2 addition

Arthrospira (Spirulina) platensis Toliara isolated from alkaline and salt lakes in the south-western area of Madagascar is a potential source of proteins that could efficiently fight against food deficiency in developing countries like Madagascar. Up to now, productivity in this country has been low, so a better understanding of the growth conditions of this species is needed to improve its production. Growth experiments were undertaken in bubble columns at laboratory scale. The influence of agitation of the culture, medium salinity (ranging from 13 to 35gL−1) and CO2 addition (ranging from 0 to 2%, v/v) on growth and protein content was examined. Because Arthrospira cells are fragile, a bubble column without additional mixing gave the best growth. Arthrospira (Spirulina) platensis showed higher specific growth rate (μmax) and protein content for lower salinity. Addition of 1% of CO2 improved the productivity by near 60%. The feasability of semi-continuous culture was demonstrated and optimal culture conditions led to a mean productivity of 0.22±0.03gL−1d−1, a mean specific growth rate of 0.015±0.002h−1 and a protein content of 53±2% of total dry weight

Optimisation et modélisation de la croissance de microalgues en vue de la validation des performances d'un photobioréacteur pilote

La société Evaflor, qui désire diversifier son activité vers la production de microalgues, possède un brevet concernant un nouveau type de photobioréacteur. Le but de ce travail est de préparer la validation des performances de ce photobioréacteur avec Nannochloropsis oculata. Tout d'abord, la croissance de N. oculata (mumax) a été optimisée à petite échelle. Quatre paramètres expérimentaux ont été pris en compte (température, intensité lumineuse incidente, pH et débit d'aération). Un plan composite centré a permis d'établir une équation polynomiale de degré 2 décrivant les variations de mumax dans l'ensemble du domaine expérimental exploré. La qualité du modèle obtenu a été évaluée à l'aide d'une étude statistique. Puis, les conditions optimales de croissance de N. oculata ont été calculées et validées expérimentalement. L'ensemble des résultats obtenus avec le plan d'expériences a également servi à la construction d'un modèle biologique de croissance de la souche. Ce modèle est capable de prédire l'évolution de la vitesse de croissance en fonction des différentes conditions expérimentales. Les variables prises en compte sont l'énergie lumineuse disponible par cellule, le carbone inorganique total disponible par cellule, le coefficient volumique de transfert de masse, le pH et la température. La troisième partie de la thèse concerne l'étude de l'influence de la pression sur la vitesse maximale de croissance de N. oculata en culture batch. L'étude s'est focalisée sur deux aspects principaux : l'effet du stress mécanique sur les cellules et l'inhibition éventuelle de la croissance par l'oxygène dissous.Evaflor society, which wants to diversify its activity towards microalgae production, owns a patent for a new type of photobioreactor. The aim of this study is to prepare the validation of the photobioreactor performances with Nannochloropsis oculata. First, N. oculata growth (mumax) has been optimised at the laboratory scale. Four experimental parameters have been studied (temperature, pH, incident light intensity and aeration rate). Thanks to a central composite design, a second order polynomial equation has been established to describe the mumax variations in the whole experimental domain explored. The quality of the model obtained has been assessed with a staistical study. Then, N. oculata optimal growth conditions have been estimated and validated experimentaly. The results obtained with the design of experiments have also been used to establish a biological growth model for the strain. This model is able to describe the growth rate evolution for diverse experimental conditions. The variables taken into account are the light energy available per cell, the total inorganic carbon available per cell, the volumetric mass transfer coefficient, the pH and the temperature. It has been developed thanks to the dynamic simulation software Aspen Custom Modeler. The third part of this work deals with the study of pressure influence on N. oculata maximal growth rate in batch culture. The study has focused on two principal aspects: the effect of mechanical stress on the cells and the eventual dissolved oxygen inhibition on growth.CHATENAY MALABRY-Ecole centrale (920192301) / SudocSudocFranceF

Etude d'un procédé d'émulsification par membrane vibrante (compréhension des mécanismes, modélisation et optimisation)

Le procédé EMULSAR, est un procédé d'émulsification par membrane vibrante. Pour optimiser ce procédé, une meilleure compréhension des mécanismes intervenant dans la formation des gouttes est nécessaire. l'étude a été menée en deux temps : l'optimisation du procédé d'émulsification membranaire sans vibration, puis l'optimisation des paramètres spécifiques à la vibration. Sur un pilote d'émulsification membranaire sans vibration, nous avons étudié l'influence de la pression transmembranaire, de la contrainte de cisaillement et de la tension interfaciale sur la qualité de l'émulsion produite et le temps de production, et ce sur des émulsions modèles et avec des membranes en céramique. Ce travail nous a permis de proposer trois modèles : le modèle du nombre capillaire, le modèle de l'activation des pores de la membrane et le modèle de prévision de la coalescence. Le nombre capillaire permet de trouver les valeurs optimales de la tension interfaciale et de la contrainte de cisaillment. Les modèles d'activation des pores et de coalescence permettent de déterminer les conditions de pression et de flux transmembranaire permettant d'éviter la coalescence à la membrane. Nous avons étudié l'influence de la vibration de la membrane sur le décrochement des gouttes sur un montage d'observation du décrochement d'une goutte soumise à une vibration. Nous avons mis en évidence le décrochement accéléré par vibration, et dégagé les principaux paramètres influant sur ce phénomène : la viscosité de la phase dispersée et l'amplitude et la fréquence de vibration de la membrane. Ces résultats nous ont permis de retrouver le décrochement accéléré par vibration au sein du procédé EMULSAR.CHATENAY MALABRY-Ecole centrale (920192301) / SudocSudocFranceF

Contribution à l'élaboration d'un outil de simulation de procédés de transformation physico-chimique de matières premières issues des agro ressources (application aux procédés de transformation de biopolymères par extrusion réactive)

Le développement des bioraffineries repose sur une conception optimisée d installationsindustrielles en synergie comportant un grand nombre de flux de matière et d opérationsunitaires. Le recours à des simulateurs de procédés pre sente un intérêt certain dans laconception, l analyse et l optimisation de tels procédés. Souhaitant initier le développementd un outil de simulation adapté à ce secteur, nous nous sommes appuyés sur l exemple d unprocédé d oxydation de biopolymères par extrusion réactive. Les procédés d extrusionréactive sont caractérisés par un couplage intime entre écoulement, thermique et cinétiquesréactionnelles. Les modalités de ce couplage dépendent des réactions visées. Souhaitantproposer un modèle flexible, intégrable dans un simulateur statique de procédés, et permettantd atteindre un bon compromis entre la prédictivité et la quantité d essais nécessaires pourajuster les paramètres du modèle, nous avons opté pour une approche de modélisation mixtereposant à la fois sur une représentation de l écoulement à l aide de réacteurs idéaux et sur deslois de la mécanique des fluides. L écoulement est modélisé par une cascade de réacteurscontinus parfaitement agités (RCPA) avec reflux. Chaque RCPA est caractérisé par un taux deremplissage qui dépend des conditions opératoires. Le calcul du taux de remplissage desRCPA, de la pression matière et des débits circulant entre les RCPA en régime permanent esteffectué en réalisant un bilan matière sur chaque RCPA. La température matière dans chacundes RCPA est calculée grâce à un bilan thermique. La modification chimique du matériau estdécrite à l aide de trois réactions : l oxydation dépolymérisante, la formation de groupementsfonctionnels (carbonyles et carboxyles) et la dégradation thermomécanique du biopolymèresous l effet de la chaleur et des contraintes de cisaillement. L établissement des équations debilan de population auxquelles on applique la méthode des moments, permet de calculersimultanément les masses molaires moyennes en nombre et en poids du polymère ainsi que lateneur en agent oxydant dans chacun des RCPA. La viscosité est reliée à masse molairemoyenne. Un algorithme de calcul itératif permet de coupler le bilan matière, le bilanthermique et le calcul réactionnel. Les données expérimentales nécessaires à la validation dumodèle ont été fournies par la plate-forme expérimentale mise au point au CVG (Centre deValorisation des Glucides, Amiens) dans le cadre du programme Synthons. Une méthoded ajustement des paramètres du modèle à partir d un nombre minimal de donnéesexpérimentales a été proposée, permettant d évaluer le caractère prédictif du modèle. Lemodèle d extrusion réactive ainsi ajusté a permis de reproduire les résultats expérimentauxobtenus pour différents matériaux, débits, vitesses de rotation, et sur deux extrudeuses detaille et de configuration différentes. L intégration du modèle d extrusion réactive dans unsimulateur de procédés - le logiciel USIM PAC - a permis de simplifier sa mise en œuvre,offre des perspectives en optimisation et dimensionnement d équipement et rend possible lasimulation de l opération d extrusion réactive au sein d une chaîne de transformationcomplète.The development of biorefineries requires integrating and optimizing plants and handling alarge number of material flows and unit operations. The development of a process simulatordedicated to this field would thus be of great interest. This is what we intended to initiate byrelying on the example of the oxidation of biopolymers by reactive extrusion. Reactiveextrusion is characterized by a strong coupling between flow, heat transfer and reactionkinetics. This coupling depends on the desired reactions. We here intended to elaborate aflexible model, being easily integrated into a static process simulator, and enabling to reach agood compromise between the predictive character of the model and the amount ofexperiments required to adjust model parameters. Therefore, we adopted a hybrid modellingapproach combining a flow description based on ideal reactors and continuum mechanicslaws. Flow is modeled as a cascade of continuous stirred tank reactors (CSTR) with possiblebackflow. Flow rates between CSTRs are calculated using physical laws taking into accountthe operating conditions and geometric parameters of the equipment. Each CSTR ischaracterized by a filling ratio, which depends on the operating conditions. The calculation ofsteady-state filling ratio, pressure and flow rates between the CSTRs is achieved byperforming a material balance in each CSTR. Material temperature in each CSTR iscalculated through a thermal balance. The chemical modification of the material is describedusing three reactions: the oxidative depolymerization, the formation of functional groups(carbonyl and carboxyl) and the thermomechanical degradation of the biopolymer induced byheating and shearing. The number-averaged and weight-averaged molecular weight of thebiopolymer and the oxidant content in each CSTR are computed simultaneously by applyingthe moment operation to population balance equations. Viscosity is linked to the meanmolecular weight. An iterative algorithm enables to couple material balance, thermal balanceand reaction kinetics. The experimental data required for model validation were provided bythe experimental platform developed at the CVG (Centre de Valorisation des Glucides,Amiens, France) in the frame of the Synthons program. A method was proposed in order toadjust model parameters with a minimal number of experimental data, enabling to assess thepredictive character of the model. Once the parameters were adjusted, the reactive extrusionmodel enabled to reproduce the experimental results obtained with different raw materials,flow rates, screw rotation speeds, and using two extruders with different size and screwconfiguration. The integration of the reactive extrusion model into a process simulator - theUSIM PAC software - enabled to simplify its implementation. This constitutes a promisingstep in a perspective of process optimization and scale-up, and enables to simulate a reactiveextrusion operation within a global plant simulator.CHATENAY MALABRY-Ecole centrale (920192301) / SudocSudocFranceF

Etude de la croissance de Chlorella vulgaris en photobioréacteur batch et continu, en présence de concentrations élevées de CO2,

Face à la montée de la prise de conscience des enjeux écologiques actuels, la recherche se tourne vers le développement des bioprocédés pour développer de nouvelles solutions aux problèmes environnementaux. Cette thèse porte sur l étude de la faisabilité d un procédé de capture de CO2 à partir de la culture de la microalgue Chlorella vulgaris en photobioréacteur continu. Ce travail a permis d identifier l algue C. vulgaris comme une candidate prometteuse pour cette application. En effet C. vulgaris présente une capacité de production de biomasse et de fixation de CO2 très intéressante pour cette application. Les études menées lors de ce travail de thèse ont également permis de mettre à jour les interactions complexes entre les cellules algales et le CO2 présent à de fortes concentrations. De même, elles ont apporté un approfondissement à la compréhension des verrous existants pour le développement d un procédé de captage du CO2 et de la nécessité de prendre en compte tous les paramètres de culture (lumière, concentration en nitrate). A partir des études menées, il a été possible de proposer un modèle pour la croissance de C. vulgaris en photobioréacteur continu. Bien que de futures études soient encore nécessaires pour être en mesure de parfaitement modéliser le comportement de l algue lors de cultures en photobioréacteur, ce modèle présente une bonne corrélation avec les expérimentations. Enfin une étude de pré-dimensionnement a été proposée qui a permis de mettre en lumière les nombreux points d interrogations encore existants avant d être en mesure d adapter le procédé de laboratoire à une échelle industrielleFaced with the growing awareness of environmental issues, the research turns to the development of bioprocesses to develop new solutions to environmental problems. This thesis concerns the study of the feasibility of a process for CO2 capture from the culture of the microalgae Chlorella vulgaris in a continuous photobioreactor. This work has identified the algae C. vulgaris as a promising candidate for this application. Indeed C. vulgaris has a capacity of biomass production and CO2 biofixation very interesting for this application. Studies in this thesis allowed us to update the complex interactions between the algal cells and high CO2 concentrations. Also they have provided a deeper understanding of existing locks for the development of a process for CO2 capture and the need to take into account all the parameters of culture (light, nitrate concentration). A model for the growth of C. vulgaris in continuous photobioreactor has been proposed. This model shows good correlation with experiments; although future studies are still needed to be able to fully simulate the behaviour of algae in photobioreactor cultures. Finally a study of pre-design has been proposed allowing highlighting the many questions that still exist before being able to adapt the laboratory process to an industrial scale.CHATENAY MALABRY-Ecole centrale (920192301) / SudocSudocFranceF

Modélisation de la croissance de microalgues – Influence des concentrations en azote et phosphore

L’objectif de ce travail est de proposer un modèle de croissance des microalgues le plus générique possible pouvant être facilement utilisable pour la simulation ou le contrôle-commmande des procédés microalgaux. Un modèle biologique de croissance de Porphyridium purpureum tenant compte de l’influence des principaux facteurs (lumière, carbone, azote et phosphore) sur la croissance de la microalgue est proposé. Ce modèle, couplé au transfert du CO2 (source de carbone des microalgues) dans le milieu de culture a été validé sur une série de 6 cinétiques expérimentales avec une erreur relative entre la biomasse simulée et mesurée de 15%

Devenir des pesticides dans le procédé d'oxydation par voie humide : cas de l'isoproturon et du diuron

International audienc

Estimating the risk of coalescence in membrane emulsification

International audienceIn order to optimise the membrane emulsification process, there is a need for a model that can be used to keep the production time of an emulsion to a minimum, without impairing its quality. This was the aim of our work. For that, we have studied the influence of transmembrane pressure on the fraction of active pores and on the drop diameter and the drop diameter distribution. We have found that an increase in transmembrane pressure makes it possible to increase the dispersed phase flux by a rise in the number of active pores (from 1 to 13% for the 0.2 µm membrane and from 2% to 45% and 49% for the 0.5 and 0.8 µm membranes, respectively). Furthermore, the increase in transmembrane pressure leads to an increase in the diameter of the droplets produced. For the 0.5 and 0.8 µm pore diameter, we have even found an increase in the polydispersity of the emulsion produced. A thorough study allowed us to locate the origin of this polydispersity: we ruled out post-production coalescence both in the bulk and in the laminar sub-layer. We showed the possibility of the expansion of the three-phase contact line over more than one pore, phenomenon we referred to as membrane coalescence. Based on these results, we built a model which allows to evaluate the risk of membrane coalescence under experimental conditions of dispersed phase flux and transmembrane pressure: the number of active pores at a distance dd/2 from the centre of a given active pore must be less than 2. For the three pore diameter membranes studied, our model matched the experimental results and could explain the polydispersity observed