Algae Grow Lab – Extraction d’algues par ultrasons

Culture d’algues

Algae Grow Lab a développé une gamme de photobioréacteurs tubulaires et plans pour la culture d’algues, ainsi qu’un procédé de destruction cellulaire par ultrasons reposant sur des processeurs à ultrasons Hielscher équipés de cellules à circulation.
Le schéma général du procédé est présenté ci-dessous.

Le schéma présente le procédé de culture d’algues et de production d’huile d’algues par sonication. ©Algae Grow Lab

Des exemples de photobioréacteurs Algae Grow Lab sont présentés ci-dessous.
L’utilisation de panneaux LED émettant de la lumière dans la partie du spectre correspondant au rayonnement photosynthétiquement actif (PAR) permet d’atteindre un taux de croissance maximal des algues.
Par exemple, après inoculation de Chlorella Vulgaris à une concentration initiale de 0,146 g/L, nous avons atteint une concentration de 7,3g/L en 7 jours.

Destruction des cellules d’algues par sonication

Après la phase de croissance des algues, les cellules sont prêtes pour le traitement de production d’huile. Le contenu cellulaire étant séparé du milieu environnant par une structure constituée de membranes cellulaires, la méthode de rupture cellulaire joue un rôle déterminant dans la libération de l’ensemble du matériel intracellulaire. La membrane cellulaire confère à la cellule sa résistance mécanique et préserve son intégrité. Les propriétés élastiques de la membrane cellulaire permettent aux cellules de résister aux variations rapides de pression osmotique susceptibles de se produire dans leur environnement extérieur.
Les méthodes assistées par ultrasons et par micro-ondes décrites ci-dessous améliorent considérablement l’extraction à partir des microalgues, avec une efficacité accrue, des temps d’extraction réduits et des rendements plus élevés, ainsi que des coûts faibles à modérés et une toxicité supplémentaire négligeable.
Très souvent, l’extraction des produits recherchés à partir des algues est plus efficace si les cellules d’algues sont détruites avant l’extraction. Toutefois, la destruction cellulaire suffit parfois à libérer le produit recherché, et seule une étape de séparation est nécessaire pour le récupérer, par exemple lors de l’extraction de lipides d’algues destinés à la production de biocarburants.
Algae Grow Lab intègre à son installation un système à ultrasons pour la rupture cellulaire et l’extraction, afin d’assurer un procédé très efficace permettant la libération complète du contenu intracellulaire et, ainsi, des rendements plus élevés en moins de temps. Dans le réacteur à ultrasons, les ondes ultrasonores créent une cavitation dans le milieu liquide contenant les cellules d’algues. Les bulles de cavitation grossissent pendant les phases alternées de raréfaction de l’onde ultrasonore jusqu’à atteindre une certaine taille, à laquelle elles ne peuvent plus absorber d’énergie. À ce stade maximal de croissance, les bulles s’effondrent pendant une phase de compression. Leur effondrement crée des conditions extrêmes de différences de pression et de température, ainsi que des ondes de choc et de puissants jets de liquide. Ces forces extrêmes détruisent les cellules et entraînent efficacement leur contenu dans le milieu liquide, par exemple de l’eau ou des solvants.
L’efficacité de la destruction par ultrasons dépend fortement de la résistance et de l’élasticité des parois cellulaires, qui varient considérablement d’une souche d’algues à l’autre. C’est pourquoi l’efficacité de la destruction cellulaire est fortement influencée par les paramètres du procédé de sonication : les paramètres les plus importants sont l’amplitude, la pression, la concentration et la viscosité, ainsi que la température. Ces paramètres doivent être optimisés pour chaque souche d’algues afin de garantir une efficacité de traitement optimale.
Quelques exemples de rupture cellulaire et de désintégration de différentes souches d’algues figurent dans les articles cités ci-dessous :

• Dunnaliella salina et Nannochloropsis oculata : King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Ultrasonic disruption of algae cells. AIP Conference Proceedings; 5/24/2012, Vol. 1433 Issue 1, p. 237.
• Nannochloropsis oculata : Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Evaluation and comparison of algal cell disruption methods: Microwave, waterbath, blender, ultrasonic and laser treatment. Applied Energy, March 2013, Vol. 103, Pages 128–134.
• Nanochloropsis salina : Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Influence of different cell disruption techniques on mono digestion of algal biomass. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8–12 May 2011, Sweden.
• Schizochytrium limacinum et Chlamydomonas reinhardtii : Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Evaluation of microalgae cell disruption by ultrasonic treatment. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.175–81.
• Crypthecodinium cohnii : Paula Mercer and Roberto E. Armenta (2011): Developments in oil extraction from microalgae. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris : S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Improvement of cell disruption for Scotiellopsis terrestris by means of ultrasound and a pectin decomposed enzyme. Naturstoffchemie.

Procédé

Après la culture, le flux de biomasse d’algues est acheminé vers le dispositif de concentration afin de séparer la biomasse du milieu liquide. Le concentré est recueilli dans le réservoir de stockage. Après la séparation, les cellules doivent être rompues pour libérer l’huile et les autres matières intracellulaires. La biomasse concentrée est donc pompée à travers un appareil à ultrasons Hielscher. L’installation de recirculation avec traitement par ultrasons assure la recirculation du concentré cellulaire, sous la pression définie, à travers la cellule à circulation Hielscher, puis son retour dans le réservoir d’accumulation. La recirculation se poursuit pendant le temps nécessaire à la destruction des cellules. Une fois le procédé de destruction terminé, la biomasse contenant les cellules détruites est pompée vers le dispositif de séparation du produit, où celui-ci est finalement séparé des débris restants.

Unité de destruction des cellules d’algues avec dispositif de concentration/séparation de la biomasse et processeur à ultrasons UIP1500hd de Hielscher de 1,5 kW. ©Algae Grow Lab

Mesure du pourcentage de cellules détruites

Pour évaluer l’efficacité de la rupture des cellules d’algues, Algae Grow Lab a utilisé deux méthodes différentes afin de mesurer le pourcentage de cellules détruites :

1. La première méthode d’analyse repose sur la mesure de la fluorescence des chlorophylles A, B et A+B.
   Lors d’une centrifugation à faible vitesse, les cellules d’algues et les débris forment un culot au fond du récipient, tandis que la chlorophylle libre reste dans le surnageant. Ces caractéristiques physiques des cellules et de la chlorophylle permettent de déterminer le pourcentage de cellules rompues. Pour cela, on mesure d’abord la fluorescence totale de la chlorophylle d’un échantillon. L’échantillon est ensuite centrifugé. Puis, on mesure la fluorescence de la chlorophylle du surnageant. Le rapport, exprimé en pourcentage, entre la fluorescence de la chlorophylle du surnageant et celle de l’échantillon total permet d’estimer le pourcentage de cellules rompues. Cette méthode de mesure est assez précise, mais suppose que la quantité de chlorophylle par cellule est uniforme. Les extractions de la chlorophylle totale ont été réalisées à l’aide de méthanol.
2. Pour la deuxième méthode d’analyse, l’hémocytométrie classique a été utilisée pour mesurer la densité cellulaire dans l’échantillon d’algues récoltées. La procédure comporte 2 étapes :

• Tout d’abord, on mesure la densité cellulaire de l’échantillon d’algues récoltées avant le traitement par ultrasons.
• Ensuite, on mesure le nombre de cellules non détruites, c’est-à-dire restantes, après sonication du même échantillon.
  Le pourcentage de cellules détruites est calculé à partir des résultats de ces deux mesures.

Fig.1 : Algues avant destruction ©Algae Grow Lab

Fig. 2 : Rupture des cellules d’algues : 50% des cellules rompues après 60 min. de sonication. ©Algae Grow Lab

Fig. 3 : Rupture des cellules d’algues : 100% des cellules rompues après 120 min. de sonication. ©Algae Grow Lab