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Abstract This study evaluates the feasibility of advanced biofilm microalgae cultivation in a twin layer (TL) system for nutrient removal (N and P) as the tertiary treatment in small wastewater treatment plants (WWTPs) located in sensitive areas. Furthermore, the potential valorisation of microalgae biomass as a component of bio-based fertilizers is assessed. Scenedesmus sp. was chosen among 33 microalgae strains for inoculation of TL due to its high growth rate and its nutrient uptake capacity. The tests carried out in the prototype were markedly efficient for total soluble and ammoniacal nitrogen removal (up to 66 and 94%, respectively). In terms of potential valorisation of microalgae, the nutrient content was 5.5% N (over 40% protein), 8.8% P2O5 and 1.5% K2O, high enzymatic activity, very low levels of heavy metals and no detectable pathogen presence. However, in the formulation of solid-state bio-based fertilizers, the microalgae proportions in blends of over 2% of microalgae led to negative effects on ryegrass (Lolium perenne L. ssp.) and barley (Hordeum vulgare ssp.). The obtained results demonstrate that TL represents a promising technology, which allows efficient tertiary treatment of urban wastewater and the production of high-quality bio-based fertilizer.

PurposeThe purpose of this paper is to acquaint the readers with the insights regarding the interventions of microalgal technology for production of metabolites and functional ingredients from microalgae for food and nutraceutical application and exploration of microalgae biomass for food application.Design/methodology/approachVarious information databases such as journals, library catalogues and professional websites were used to collect information pertaining to application of microalgae in food and nutraceutical sector. Systematic review was made with recent studies covering the vital aspects of art of microalgae cultivation for metabolite production, functional ingredients from microalgae, market scenario and utilisation of microalgae biomass for the valorisation of the food products. Key points have been discussed after every section to highlight the practical implications to make this review more insightful for the readers.FindingsMicroalgal technology provides sustainable solution for its application in food and nutraceutical sector. The heart of metabolite production lies in the optimisation of cultivation conditions of microalgae. Wide array of functional components are obtained from microalgae. Microalgae offer an alternative source for omega-3 fatty acids. Microalgae is widely exploited for production of pigments, namely, ß-carotene, astaxanthin, lutein, phycocyanin and chlorophyll, that have important implication as natural colourants and nutraceuticals in food. Larger diversity of sterols found in microalgae confers bioactivity. Microalgae is finding its place in market shelves as nutraceuticals where its functional ingredients are in the form of powder, tablets, extract and beverages and in innovative products such as microalgae protein and fat, culinary algae oil and butter. Sprulina and Chlorella are popular choice for the supplementation of food products with microalgae biomass.Originality/valueThis is a comprehensive review that highlights the application of microalgal technology for the development of healthy food products and presents holistic intervention in food and nutraceutical sector.

Natural resources are becoming increasingly scarce, and the need to control their consumption and recycle their use is growing. Water is one of the essential resources for human survival. Therefore, there has been an increasing interest in ways to save, recycle and treat water supplies. Aquaculture is one of the most polluting activities as it produces a significant wastewater volume, which needs proper treatment before being discharged into the environment or recycled. Microalgae are a potential solution for wastewater treatment. Due to their numerous advantages, the use of microalgal biomass is being studied, and, at present, there is already a market and room for profit in the sale of microalgal components in various forms, such as animal and human supplements. From a biorefinery point of view, it is important to take advantage of all the qualities and benefits that microalgae have by combining their great capacity to treat wastewater and exploit the produced biomass, analysing its composition for subsequent valorisation, for example. In this study, Chlorella vulgaris was used to treat aquaculture wastewater from a trout farm aquaculture facility, and the treatment efficiency was evaluated. To valorise the resulting biomass, its composition was also assessed. C. vulgaris successfully grew in the effluent with growth rates of 0.260 ± 0.014 d−1 and with average productivity of 32.9 ± 1.6 mg L−1 d−1. The achieved removal efficiencies were 93.5 ± 2.1% for total nitrogen, 98.0 ± 0.1% for nitrate-nitrogen and 92.7 ± 0.1% for phosphate-phosphorus. Concerning biomass composition, the lipids (15.82 ± 0.15%), carbohydrates (48.64 ± 0.83%), and pigment contents (0.99 ± 0.04% for chlorophyll a + b and 0.21 ± 0.04% for carotenoids) were similar to the values of similar studies. However, the protein content obtained (17.93 ± 1.21%) was lower than the ones mentioned in the literature.

Wastewaters are mainly classified as domestic, industrial and agro-industrial based on their production source. Piggery wastewater (PWW) is a livestock wastewater characterized by its high concentrations of organic matter and ammonium, and by its odour nuisance. Traditionally, PWW has been treated in open anaerobic lagoons, anaerobic digesters and activated sludge systems, which exhibit high greenhouse gas emissions, a limited nutrients removal and a high energy consumption, respectively. Photosynthetic microorganisms can support a sustainable wastewater treatment in engineered photobioreactors at low operating costs and with an efficient recovery of carbon, nitrogen and phosphorous. These microorganisms are capable of absorbing solar irradiation through the photosynthesis process to obtain energy, which is used for their growth and associated carbon and nutrients assimilation. Purple phototrophic bacteria (PPB) represent the photosynthetic microorganisms with the most versatile metabolism in nature, whereas microalgae are the most-studied photosynthetic microorganisms in recent years. This review describes the fundamentals, symmetry and asymmetry of wastewater treatment using photosynthetic microorganisms such as PPB and microalgae. The main photobioreactor configurations along with the potential of PPB and microalgae biomass valorisation strategies are also discussed.

La biomasse des microalgues tropicales a des vertus naturelles qui peuvent être utilisées dans une large gamme de bioproduits. Leur valorisation peut permettre une production durable et commercialement viable. En effet, les microalgues tropicales représentent une grande biodiversité et bénéficient de conditions environnementales favorables à une production à grande échelle. Dans ce contexte, cette thèse vise à étudier de nouvelles souches tropicales afin de connaître leur potentiel de valorisation dans le domaine des biotechnologies, et plus particulièrement sur trois aspects : énergie, nutraceutique et antifouling. Ce dernier domaine a été étudié dans le cadre du projet ANR-CD2I « BIOPAINTROP » dont l’objectif est la lutte écoresponsable contre le biofouling. Ces travaux s’orientent vers des applications biotechnologiques, mais aussi vers le développement des nouvelles méthodes de caractérisation de l’activité antifouling. Sur les 50 souches étudiées, certaines ont montré la production de métabolites d'intérêt tels que le glycosylglycerol, des lipides de qualité pour la nutraceutique et la production de biodiesel. La souche Amphidinium sp. (P-43) a conduit à un extrait méthanolique possédant une activité biologique significative. Son efficacité dans la lutte contre le biofilm a été démontrée. De plus, l'étude d'écotoxicologie réalisée laisse présager d'un faible impact environnemental
Biomass of tropical microalgae have natural virtues that can be used in a wide range of bioproducts. Their valuation can enable sustainable and commercially viable production. Indeed, tropical microalgae represent a large biodiversity and benefit from favourable environmental conditions for large scale production. In this context, this thesis aims to explore new tropical strains to determine their potential development in the field of biotechnology, particularly in three areas: energy, nutraceutical and antifouling. This field is studied in the project ANR-CD2I "BIOPAINTROP" whose objective is the eco-responsible fight against biofouling. These works target biotechnological applications, but also development of new methods to characterize antifouling activity.Of the 50 strains studied, some have shown interest in the production of metabolites such as glycosyl glycerol, quality nutraceutical and lipids for biodiesel production. The Amphidinium sp. (P-43) stain led to a methanol extract having biological activity of interest. Its efficiency against biofilm was demonstrated. Moreover, the ecotoxicology study has suggested a low environmental impact

Les microalgues présentes à la fois dans les eaux douces et salées compteraient plus de 200 000 espèces. Cette diversité en fait une source potentielle de métabolites spécialisés originaux. Parmi les principales familles de substances naturelles valorisées actuellement, on peut citer les pigments, lipides, protéines, polysaccharides, caroténoïdes. Une vision plus globale du métabolome de chacune des espèces apparaît aujourd’hui nécessaire pour mieux mettre en valeur le potentiel commercial que représente cette « microbiodiversité ». Pour cela, nous avons tout d’abord choisi d’approcher le métabolome de différentes souches de microalgues cultivées au sein de la Société Greensea en s’appuyant sur les techniques d’HPTLC, de RMN et d’UHPLC-QTOF pour une visualisation large. Cette étude nous a permis de regrouper les espèces par analogie métabolique après traitement statistique des données. Une seconde partie a consisté en une étude phytochimique approfondie de certaines souches et a conduit à l’isolement et la caractérisation de plusieurs molécules. Ainsi, en plus de métabolites connus, un peptide original portant un motif isoprényl, le cumbriamide a été caractérisé au sein de Lyngbya sp. et une première évaluation de son potentiel thérapeutique a été entreprise. Une large diversité en glycolipides s’est montrée prépondérante dans de nombreuses souches et une méthode de caractérisation a pu être mise au point pour leur identification par UHPLC-QTOF. Enfin, différentes applications des approches métabolomiques ont été envisagées. Ainsi, des études chimiotaxonomiques ont été menées sur les différentes souches de microalgues et l’influence de changements de conditions de culture sur la production de métabolites chez Nannochloropsis oculata a été observée
Microalgae are present both in Oceans and freshwaters and could include more than 200 000 species. This diversity is a source of original specialized metabolites that can find a large array of applications. Pigments, lipids, proteins, polysaccharides and carotenoids are usual compounds produced by microalgae that have found commercial applications. A global vision of the metabolome of each species has showed promises to highlight the commercial value of this “microdiversity”. We then decided to assess the metabolome of several microalgae species grown at the Greensea company by using HPTLC, NMR and UHPLC-QTOF techniques for a rapid and global overview. A classification of the species according to their metabolomics similarities was obtained after statistics treatment of the data. A second part was dedicated to a phytochemical study of the extracts of selected strains and led to the isolation and characterization of several metabolites. Thus, in addition to known molecules, an original peptide substituted by an isoprenyl moiety and named cumbriamide has been characterized in Lyngbya sp and a first assessment of its therapeutical potential has been undertaken. Glycolipids have been identified as the major metabolites in the extracts of numerous strains and a UHPLC-QTOF method was developed for their identification. Finally, several applications of the metabolomics approaches were considered. Chemotaxonomic studies were first carried out and the influence of growth conditions on the metabolome of Nannochloropsis oculata was observed

Les secteurs de la parfumerie et de la cosmétique occupent une place proéminente dans la société moderne. De nombreuses entreprises se positionnent depuis plusieurs années sur les produits cosmétiques à ingrédients naturels. Les plantes, longtemps considérées comme matière première principale pour le domaine de la cosmétique, sont aujourd’hui concurrencées par les microalgues dont la biomasse devient plus facile à obtenir grâce aux avancées en biotechnologie bleue. Ainsi, Cosmo International Ingredients se positionne à travers cette thèse pour élargir son panel de matières premières valorisables dans le domaine de la cosmétique. Dans un premier temps, l’étude phytochimique de microalgues péruviennes a permis d’isoler et identifier une famille majeure de métabolites chez les microalgues : les glycolipides. Une recherche de conditions d’extraction optimale pour cette famille a été effectuée et a permis de proposer une méthodologie verte, spécifique et peu coûteuse. Les cyanobactéries connues pour leur production de métabolites structurellement diversifiés ont été sélectionnées pour la culture suivant des critères spécifiques. Cette approche a permis d’isoler et de caractériser 5 composés à forte valeur ajoutée dont 4 peptides et un alcaloïde. Enfin, un forçage métabolique a été effectué sur Microcystis aeruginosa afin d’optimiser la production des 4 peptides cibles. Il en est ressorti que les paramètres température et intensité lumineuse jouent un rôle important dans la production peptidique
The sectors of fragrances and cosmetics play a prominent role in the modern society. During the last decades, several companies have been focusing on nature to provide innovative products. Plants have historically been considered the main raw material in the cosmetic field but, recently, microalgae have been identified as a worthy competitor due to the facility to obtain biomass. Thus, the company Cosmo International Ingredients supported this PhD. thesis to broaden their range of raw materials that can be used for the cosmetic industry. First, the phytochemical study of Peruvian microalgae allowed the isolation of a major family of metabolites: glycolipids. An environmentally-friendly, selective and low-cost method for their extraction from the biomass has been developed. Cyanobacteria known for their production of structurally diverse metabolites have been selected for culture following specific criteria; as a result 5 compounds have been isolated and fully characterized, 4 of which were peptides and one was an indole alkaloid. Finally, to optimize the production of the targeted bioactive peptides, a kinetic study was performed for 3 different temperatures and 3 different light intensities. These parameters were found to play a critical role for the peptide production

Les tecnologies basades en microalgues ofereixen una solució prometedora per canviar l’enfoc del tractament de residus i aigües residuals cap a la recuperació d’energia i recursos. Les microalgues consumeixen els nutrients en les aigües residuals i produeixen oxigen, utilitzat pels bacteris per biodegradar la matèria orgànica. Aquests processos s’han implementat amb èxit pel tractament de les aigües residuals urbanes, però en ciutats cada cop més industrialitzades i en entorns agrícoles, el repte actual és determinar si aquests sistemes poden degradar contaminants orgànics com els pesticides. La biomassa algal produïda pot valoritzar-se per a la producció de biofuels i altres subproductes valuosos. En aquest sentit, la digestió anaeròbia és una de les tecnologies millor desenvolupades i implementades per a convertir residus orgànics en energia renovable. Alhora, la co-digestió simultània de dos o més residus, contribueix a superar alguns problemes de la mono-digestió i a augmentar la producció d’energia. Aquesta Tesi Doctoral avalua diferents processos que s’inclouen en el concepte de biorefineria d’algues: utilització de les algues per a la degradació de microcontaminants, producció d’energia per a la metanització de les algues, co-digestió amb altres residus orgànics propers, i utilització dels fluxos de residus generats com a fertilitzants. Primer, s’ha estudiat la degradació individual de tres pesticides polars i tres hidrofòbics per un cultiu mixt de microalgues i altres microorganismes. Els estudis s’han portat a terme en diferents condicions experimentals per a determinar els principals mecanismes de degradació. La biodegradació i fotodegradació contribueixen a l’eliminació del propanil (100%), de l’acetamiprid (100%), de l’oxadiazon (55%), del clorpirifos (35%) i de la cipermetrina (14%), mentre que més del 60% del clorpirifos i la cipermetrina s’eliminen per biosorpció. S’han identificat els productes de transformació del clorpirifos, l’acetamiprid i el propanil per les microalgues actives. Després, s’ha avaluat el comportament d’un fotobioreactor pilot, operat a un temps de residència hidràulic de 8 dies, en el tractament d’una aigua residual sintètica amb una mescla de pesticides. S’ha avaluat la capacitat de degradació del sistema per l’eliminació de nutrients i pesticides, i s’han detectat alguns productes de degradació. Els rendiments d’eliminació de l’nitrat i el fosfat han estat del 24 i 94%, respectivament. El propanil i l’acetamiprid varen ser eliminats molt eficientment (99 i 71%, respectivament) principalment per biodegradació. A més, el procés de metanització de la biomassa algal no es va veure inhibit pels pesticides adsorbits a la biomassa. S’han avaluat diferents pretractaments suaus i de baix consum energètic per incrementar la solubilitat i digestibilitat de la biomassa algal. Prèviament es recullen les microalgues per diferents tècniques: sedimentació natural, coagulació-floculació, i modificació del pH. Els resultats dels pretractaments tèrmics a baixa temperatura i pretractaments enzimàtics indiquen que per a la biomassa algal, l’increment de solubilitat porta a un augment del rendiment en la producció de biogàs. No obstant, per a la co-digestió de llots activats i biomassa algal, encara que un pretractament augmenti la solubilitat, el rendiment de producció de biogàs no augmenta. S’avalua finalment un cas estudi real per a integrar un sistema basat en microalgues en una planta de tractament d’aigües residuals d’una empresa vinícola, perseguint una proposta circular de recuperació de nutrients i energia de l’aiguaresidual i dels llots. El tractament terciari de l’aigua residual per les microalgues elimina eficientment l’amoni (97%) i el fosfat (93%). La biomassa algal produïda es va co-digerir amb llots en un reactor pilot de 50 L obtenint un rendiment de metà de 225.8 NL CH4 kg SV-1, i els digestats de la mono i co-digestió, i la biomassa algal assecada van millorar el creixement dels cultius en utilitzar-los com a fertilitzants.
Las tecnologías basadas en microalgas ofrecen una solución prometedora para cambiar el foco desde el tratamiento de residuos y aguas hacia la recuperación de energía y recursos. Las microalgas eliminan nutrientes de las aguas residuales y producen oxígeno para que las bacterias biodegraden la materia orgánica. Estos procesos se implementaron con éxito en el tratamiento de aguas residuales urbanas, pero en las ciudades cada vez más industrializadas y en los entornos agrícolas, el reto es determinar si estos sistemas pueden degradar contaminantes orgánicos como los pesticidas. La biomasa algal puede valorizarse para producir biocombustibles y otros bio-productos. La digestión anaeróbica es una tecnología consolidada para convertir residuos orgánicos en energía renovable (biogás). La co-digestión anaerobia de dos o más residuos contribuye a superar los inconvenientes de la mono-digestión e impulsa la producción de energía. Esta tesis evalúa diferentes procesos incluidos en el concepto de biorrefinería de microalgas: utilización de las algas para degradar micro-contaminantes, producción de energía mediante la digestión anaerobia de algas, la co-digestión con otros residuos cercanos, y la utilización de flujos de residuos como fertilizantes. Primero, se estudió la degradación individual de tres pesticidas polares y tres pesticidas hidrofóbicos mediante un cultivo de microalgas y otros microorganismos. Se estudiaron diferentes condiciones para determinar los mecanismos de degradación. La biodegradación y la foto-degradación contribuyeron a la eliminación del propanil (100%), acetamiprid (100%), oxadiazon (55%), clorpirifós (35%) y la cipermetrina (14%). Más del 60% del clorpirifós y la cipermetrina se eliminaron por bio-sorción. Se identificaron los productos de transformación generados por las microalgas para el clorpirifós, el acetamiprid y el propanil. Se evaluó el rendimiento de un fotobiorreactor piloto de exterior operado a un TRH de 8 días en el tratamiento de aguas residuales sintéticas conteniendo una mezcla de pesticidas. Se evaluó la capacidad de degradación cuantificando la eliminación de nutrientes y pesticidas, y se detectaron los productos de transformación. Las eficiencias de eliminación de nitratos and ortofosfato fueron del 24 y 94%, respectivamente. El propanil y el acetamiprid se eliminaron eficazmente (99 y 71%, respectivamente), principalmente por biodegradación. La digestión anaeróbica de las algas no fue inhibida por los pesticidas retenidos. Para mejorar la solubilidad y la digestibilidad anaeróbica de la biomasa algal, se evaluaron diferentes pretratamientos energéticamente eficientes. Previamente, se estudió la cosecha de las microalgas mediante técnicas de bajo coste: sedimentación natural, coagulación-floculación y floculación inducida por pH. Los pretratamientos se aplicaron antes de la co-digestión anaeróbica de las microalgas con lodos activados. Se evaluó el efecto de los pretratamientos térmicos a baja temperatura para las mezclas de microalgas y lodos, y se investigó el efecto de los pretratamientos enzimáticos en la solubilización de la pared celular de las microalgas. En ambos casos, se comprobó el efecto del pretratamiento en el rendimiento de biogás. La solubilidad de las algas aumentó, incrementando el rendimiento de metano. Sin embargo, en la co-digestión de lodos y algas, incluso cuando la solubilidad aumentó tras el pretratamiento, la producción de biogás no incrementó. Además, esta tesis evalúa un caso de estudio para la integración de un sistema basado en microalgas en la planta de tratamiento de aguas residuales de una empresa vinícola para aplicar un enfoque circular en la recuperación de nutrientes y energía de sus aguas residuales y lodos. El tratamiento terciario de las aguas residuales mediante microalgas eliminó eficazmente el amonio (97%) y el ortofosfato (93%). La biomasa algal fue co-digerida en un digestor anaerobio piloto de 50 L con lodos produciendo 225.8 NL CH4 kg VS-1. Los digestatos de mono-digestión y co-digestión y la biomasa seca de algas mejoraron la acumulación de biomasa vegetal al usarlos como fertilizantes.
Microalgae-based technologies offer a promising solution to shift the focus from wastes and wastewater treatment, toward energy and resource recovery. In these systems, microalgae remove nutrients from wastewater and produce oxygen useful for bacteria to biodegrade organic matter. This has been fully demonstrated in urban wastewater treatment, but in increasingly industrialised cities and agricultural environments, the challenge is to determine if microalgae-based systems can degrade organic micropollutants such as pesticides. Microalgae biomass can be further valorised for the production of biofuels and valuable bioproducts. Anaerobic digestion is one of the most established technologies to convert organic wastes into renewable energy in the form of biogas. Another opportunity is the simultaneous anaerobic co-digestion of two or more bio-wastes, contributing to overcome the drawbacks of mono-digestion and boosting energy production in anaerobic digestion plants. Nonetheless, microalgae anaerobic digestion is generally hindered by the recalcitrancy of their cell walls, which lead to low methane potential. The present thesis assesses different processes included in the microalgal biorefinery concept: utilisation of algae for micropollutant degradation, energy production by algal anaerobic digestion, co-digestion with other nearby wastes, and utilisation of waste streams as fertilizers. First, it was studied the individual degradation of three polar and three hydrophobic pesticides frequently found in surface waters by a mixed-microalgae culture. Different conditions were studied to determine the main degradation mechanisms. Biodegradation plus photodegradation contributed to the removal of propanil (100%), acetamiprid (100%), oxadiazon (55%), chlorpyrifos (35%), and cypermethrin (14%) while more than 60% of chlorpyrifos and cypermethrin were removed by bio-sorption. Transformation products generated by the active microalgae were identified for chlorpyrifos, acetamiprid, and propanil. The performance of an outdoor pilot-photobioreactor operated at a HRT of 8 days in the treatment of synthetic wastewater containing a mixture of selected pesticides was assessed. During the steady-state, degradation capacity was evaluated by quantifying nutrients and pesticides removal, and transformation products were detected. Nitrate and ortophosphate removal efficiencies were 24 and 94%, respectively. Propanil and acetamiprid were effectively removed (99 and 71%, respectively) mainly by algal-mediated biodegradation as confirmed by the transformation products detected. The anaerobic digestion of the algal biomass was not inhibited by the retained pesticides. To enhance the solubility and the anaerobic digestibility of algal biomass, different mild pretreatments were assessed. Formerly, microalgal harvesting was tested by different cost-effective techniques: sedimentation, coagulation-flocculation, and pH-induced flocculation. The pretreatments were applied before the anaerobic co-digestion of microalgae with sludge. The effect of thermal pretreatments at low temperature were evaluated for microalgae and sludge mixtures. Additionally, the effect of enzymatic pretreatments on microalgae cell wall solubilisation was investigated. In both cases, the effect of the pretreatment in the biogas yield was tested. Results indicate that algal biomass solubility increased and led to a higher methane yield. Nonetheless, in the co-digestion of sludge and algal biomass, even when biomass solubility was enhanced after the pretreatment, biogas production did not increase. Furthermore, this thesis assesses a case study for the integration of a microalgae-based system into the industrial wastewater treatment plant of a winery company looking for a circular approach for nutrients and bioenergy recovery from wastewater and sludge. Tertiary wastewater treatment by microalgae efficiently removed ammonium (97%) and phosphate (93%). Algal biomass was co-digested in a 50 L pilot anaerobic digester with sludge obtaining a yield of 225.8 NL CH4 kg VS-1. The digester was operated in SBR mode showing adaptations to substrate variability over time. The valorisation of the generated bio-wastes for fertilization indicate that mono- and co-digestion digestates and dry algal biomass improved plant biomass accumulation (growth indexes of 163, 155 and 121% relative to those of the control -commercial amendment-).
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Ciència i Tecnologia Ambientals

Cette thèse s'attache à la maximisation de la consommation du dioxyde de carbone par les microalgues. En effet, suite aux différentes problématiques environnementales actuelles liées principalement aux émissions importantes de gaz à effet de serre et notamment le CO2, il a été démontré que les microalgues jouent un rôle très prometteur pour la bio-fixation du CO2. Dans cette optique, nous nous intéressons à la mise en place d'une loi de commande robuste permettant de garantir des conditions opératoires optimales pour une culture de la microalgue Chlorella vulgaris dans un photobioréacteur instrumenté. Cette thèse repose sur trois axes principaux. Le premier porte sur la modélisation de la croissance de l'espèce algale choisie à partir d'un modèle mathématique traduisant l'influence de la lumière et de la concentration en carbone inorganique total. En vue de la commande, le deuxième axe est consacré à l'estimation de la concentration cellulaire à partir des mesures disponibles en temps réel du dioxyde de carbone dissous. Trois types d'observateurs ont été étudiés et comparés : filtre de Kalman étendu, observateur asymptotique et observateur par intervalles. Le dernier axe concerne l'implantation d'une loi de commande prédictive non-linéaire couplée à une stratégie d'estimation pour la régulation de la concentration cellulaire autour d'une valeur maximisant la consommation du CO2. Les performances et la robustesse de cette commande ont été validées en simulation et expérimentalement sur un photobioréacteur instrumenté à l'échelle de laboratoire. Cette thèse est une étude préliminaire pour la mise en œuvre de la maximisation de la fixation du dioxyde de carbone par les microalgues.

A partir des problemes nutritionnels poses par la fourniture de proies adaptees aux premiers stades de la vie larvaire des poissons marins, la production d'une chaine trophique courte (phytoplancton-zooplancton) est mise en place en bassins exterieurs et s'accompagne de l'etude du transfert des acides gras au sein de ce maillon. Les caracteristiques de la production phytoplanctonique sont ensuite determinees avec la realisation, en region temperee, pendant 2 annees consecutives, de cultures en masse de populations naturelles fertilisees par engrais agricoles. Les roles de la temperature, du rayonnement global, des sels nutritifs, de la salinite et des taux de renouvellement dans l'evolution des populations et la succession des especes dominantes sont ainsi identifies. Le suivi est especes en zone littorale complete l'etude. Enfin, etant donne l'importance des acides gras dans la chaine alimentaire et du phytoplancton en tant que premier maillon, les compositions en acides gras des especes produites et leurs variations avec les conditions de culture sont analysees. Les microalgues etant capables de reagir par la synthese naturelle de molecules organiques aux variations des facteurs environnementaux, l'influence de divers parametres sur l'orientation de la synthese lipidique est etudiee. Des cultures monospecifiques selectionnees sont soumises a des carences en elements nutritifs, a des variations de temperature ou cultivees a partir de differentes sources azotees. La carence en silice est egalement pratiquees sur les populations de diatomophycees obtenues en bassins exterieurs. L'etude s'acheve sur les potentialites offertes par les differentes classes de microalgues marines a partir de l'analyse des compositions en acides gras de 25 especes

La bioraffinerie est similaire à la méthodologie utilisée en industrie pétrochimique qui consiste à séparer les constituants d’une biomasse pour les convertir en différents produits à forte valeur ajoutée. La microalgue Porphyridium cruentum est bien connue dans la littérature pour sa production de nombreux métabolites valorisables tels que des pigments (B-Phycoerythrine, zéaxanthine) ; des acides gras oméga 3 et oméga 6, des exopolysaccharides (EPS). A ce jour, il n’existe pas de schéma de procédés intégrés visant à aboutir à la valorisation totale de cette biomasse. C’est donc avec une approche de bioraffinerie, visant à rendre viable la production de microaglues, que le travail présenté ici a été réalisé. Un schéma de procédé global, constitué de 4 étapes, culture et récolte des microalgues, destruction cellulaire, fractionnement des différentes familles de molécules et purification, a été mis en place. La phase de culture a permis d’atteindre une concentration en biomasse de 2,7 g. L-1. Différentes méthodes de destruction cellulaire ont été testées telles que la congélation/décongélation, le broyage haute pression. Leur impact sur les différentes fractions extraites a été étudié. Un procédé d’extraction sélective en deux étapes, permettant d’aboutir à l’obtention d’un extrait prépurifié en B-phycoérythrine, a été développé. La purification de la B-phycoérythrine par deux méthodes, précipitation sélective et filtration tangentielle sur membrane, a été réalisée. De hauts degrés de pureté (IP = 3) ont été atteints par filtration sur membrane en polyethersulfone (30 kDa). 3 protocoles de valorisation de la biomasse dans son ensemble ont également été développés
Biorefinery is the same methodology used in oil industry to separate each component of a biomass and to transform them into high value products. The microalga Porphyridium curentum is well referenced in the literature as a producer of many metabolites of interest like pigments (B-Phycoerythrin, zeaxanthin), ω3 and ω6 fatty acids and exopolysaccharides (EPS). We propose to apply the concept of biorefinery to P. Cruentum in order to produce different extracts of interest and so to make the biomass production profitable. We experimentally developed a process to produce and to separate the different fractions of P. Cruentum made of 4 main steps: cultivation and harvesting of the algae, cell disruption, separation of each biochemical family and purification of the latter. The optimization of culture conditions leads to a production of microalgae at the concentration of 2. 7g. L-1. Different cell destruction techniques have been tested such as high pressure cell disruption and freezing/thawing. Their impact on the molecules extracted has also been studied. A selective two-steps process has been developed to obtain pre-purified B-phycoerythrin extract. The purification of the latter has been tested by two different methods: the selective precipitation using ammonium sulfate and the tangential filtration on membrane. High purity levels (IP=3) have been reached using a filtration on polyethersulfone membrane (30kDa). 3 protocols have been developed and tested to promote the whole biomass

Les conditions de culture de microalgues autotrophes en système ouvert associant microalgues / bactéries ont été étudiées au cours de ce travail de thèse. L'objectif était de développer un procédé de valorisation des nutriments (N, P) contenus dans la phase liquide des digestats issus de méthanisation agricole. Dans un premier temps, une synthèse sur les filières de méthanisation suivi d'un état de l'art sur les microalgues et leurs conditions de culture ont permis de mettre en évidence les principaux paramètres d'influence spécifiques à l'influent étudié, tels que la coloration, et les interactions avec les processus de nitrification/dénitrification. Ainsi, dans le but de mieux comprendre les mécanismes et d'évaluer les impacts des paramètres principaux, un pilote de laboratoire composé de 6 réacteurs de 2,5 litres a été conçu et des analyses spécifiques ont été développées au laboratoire. A partir de ces outils, l'effet de la couleur et de la lumière sur la pénétration de la lumière et sur la croissance algale a été quantifié. Ensuite, l'influence du ratio N/P du milieu a été testée, ce qui a permis de mettre en exergue le stockage du phosphore par les microalgues, leur permettant de continuer leur croissance lorsque le phosphore du milieu est épuisé. Par la suite, le transfert du dioxyde de carbone et son impact sur la croissance des microalgues ont été étudiés. La productivité algale est fonction de la quantité de CO2 fournie à la culture et chute à 0 sans injection. Enfin, l'étude du temps de séjour des solides et de leur fréquence d'extraction a révélé que la nitrification-dénitrification est un mécanisme important d'élimination de l'azote dans une culture algale en continu et en système ouvert. Il peut même s'avérer prédominant par rapport à l'assimilation de l'azote par les microalgues dans certaines conditions. La proportion de chacun de ces processus peut néanmoins être contrôlée par ces paramètres. Ces expérimentations ont par ailleurs permis de mieux comprendre les interactions entre microalgues et bactéries nitrifiantes ainsi que la prédominance des genres d'algues en fonction des conditions de culture. Les microalgues sont de meilleures compétitrices sur le phosphore que les bactéries nitrifiantes. De plus, lorsque le phosphore n'est pas limitant, la nitrification est réduite en proportion de la productivité algale. En cas de limitation en phosphore et avec une faible lumière disponible, les genres d'algues qui se sont montrés dominants sont Scenedesmus sp. et Chlorella sp. Respectivement. Les essais expérimentaux ont été complétés par le développement ou l'adaptation de modèles biocinétiques capables de représenter la croissance algale et l'épuration assez fidèlement. A partir de cette modélisation, différentes configurations ont été simulées pour dimensionner un lagunage algal à haut rendement et ainsi mieux comprendre et apprécier la faisabilité d'une culture algale pour extraire les nutriments des digestats
The culture conditions of autotrophic microalgae in open system associating microalgae/bacteria were studied in this thesis. The objective was to develop a process to valorize nutrients (N, P) contained in the liquid phase of digestate coming from agricultural methanization. First, a synthesis of anaerobic digestion process followed by a state of art on microalgae and their culture conditions allowed to highlight the main parameters specific to the studied influent, such as coloration, and the interactions with nitrification-denitrification processes. To better understand the mechanisms and study the impact of the main parameters, a laboratory-scale pilot composed of six 2.5L-reactors was designed and specific analyses were developed at the laboratory. With the help of those tools, effects of color and light on light penetration and on microalgae growth were quantified. Then, the study of the N:P ratio of the medium allowed to highlight the phosphorus storage by microalgae, allowing them to continue their growth while the phosphorus of the medium was depleted. Thereafter, the carbon dioxide transfer and its impact on microalgae growth were studied. The algal productivity is a function of the quantity of provided CO2 into the culture and fall to zero without injection. Finally, the study of solid retention time and extraction rate revealed that nitrification-denitrification is an important mechanism for nitrogen removal in a continuous algae culture in open system. This mechanism may even be predominant compared to nitrogen assimilation by microalgae under certain conditions. The proportion of each of these processes may still be controlled by these parameters. These experiments have also provided insight into the interactions between microalgae and nitrifying bacteria and the predominance of algae genera depending on culture conditions. Microalgae are better competitors on phosphorus than nitrifying bacteria. Furthermore, in non-limiting phosphorus conditions, nitrification is reduced in proportion to algal productivity. Scenedesmus and Chlorella proved to be dominant respectively when phosphorus and light are limiting. The experimental trials were completed by the development or the adaptation of biokinetic models able to represent quite accurately microalgae growth and nitrogen removal. From this model, different configurations were simulated to design high rate algal pond and assess the feasibility of the algal culture to extract nutrients from digestate

L’utilisation des microalgues dans les filières bioénergies est une thématique qui connait un développement remarquable ces dernières années. Si dans une perspective d’exploitation de masse, elles permettent de répondre plus favorablement aux contraintes qui pèsent sur l’exploitation des biocarburants de première et de deuxième génération, elles se heurtent également à la question de la demande en éléments nutritifs mais aussi à un bilan énergétique défavorable. En conséquence, il apparait difficile de répondre à une exigence de durabilité attendue pour ce nouveau gisement. Ce travail de thèse s’est intéressé à une solution permettant à la fois de recycler les éléments nutritifs présents dans la biomasse et de fournir de l’énergie au système de production voire de transformation : la digestion anaérobie. Les travaux se sont particulièrement focalisés sur l’intégration de la production de microalgues et de la méthanisation au travers de la conversion énergétique de cette biomasse et de la mobilisation des éléments nutritifs vers la culture à l’échelle du laboratoire et à l’échelle pilote. Après avoir identifié les contraintes associées à la biodégradabilité anaérobie des microalgues et les stratégies d’optimisation, nous avons mis en évidence que le potentiel énergétique est contraint par la qualité propre des cellules et une capacité de résistance à la dégradation biologique. L’application de stratégies d’optimisation de cette étape de conversion via l’utilisation de prétraitement thermique a montré qu’il est possible d’augmenter les rendements de production d’énergie et d’éléments minéraux mobilisables vers la culture. L’utilisation d’un écosystème naturel microalgue-bactérie destiné à la production en milieu ouvert et qui utilise un digestat synthétique comme milieu de culture a révélé le rôle déterminant de la flore bactérienne associée en interaction avec les microalgues. Ces résultats ont été évalués dans un système de production à l’échelle pilote préindustrielle en conditions extérieures, conçu et opéré spécifiquement pour répondre à cette problématique. Les caractéristiques propres du bassin de culture déterminent le comportement hydrodynamique du milieu et le comportement physique et écologique de la population phytoplanctonique mobilisée. L’étude de la dynamique des communautés microbiennes, eucaryotes et procaryotes, confirme le potentiel de résilience et de production d’un écosystème complexe soumis aux contraintes de son environnement. Les résultats de ces travaux ouvrent des perspectives de gestion et d’optimisation des procédés intégrant l’algoculture et la méthanisation qui peuvent répondre plus largement à des problématiques environnementales et de production de molécules d’intérêt au-delà des filières énergétiques
In recent years, there has been an explosion of interest in the use of microalgae as a source of bioenergy. Mass cultivation of microalgae for bioenergy production promises several advantages compared to first and second generation biofuels. However, similar difficulties in terms of nutrient requirements and an unfavourable energy balance are faced. As a consequence, achieving the sustainable levels of microalgal culture required to implement this strategy in the longer term appears problematic. The work presented in this thesis focuses on anaerobic digestion; a solution which allows both recycling of nutrients and supply of energy to the production and downstream processes. In particular, the studies presented here have been directed towards the integration of microalgal culture and methanisation, at both the laboratory and pilot scale. The guiding principle used is conversion of biomass and provision of nutrients to the culture. We first identified the constraints and potential strategies associated with the aerobic biodegradability of microalgae. Next, we demonstrated that the energetic potential of cells is limited by their quality as well as their level of resistance to biological degradation. We have shown that it is possible to optimise the conversion step, increasing energy yields and nutrient mineralisation via a strategy of thermal pretreatment The use of a natural microalgae-bacteria ecosystem which uses a synthetic digestate as culture media, revealed a key role for bacterial flora interacting with microalgae. These results were further tested in a pilot-level production system specifically designed to address these questions. The evidence suggests that the characteristics of the culture pond determine both the hydrodynamic behaviour of the culture and the physical and ecological behaviour of the phytoplanktonic population. A study of the dynamics of the microbial, eukaryotic and prokaryotic communities suggests the presence of a resilient and complex ecosystem, which is influenced by variations in its environment. The results of this work provide opportunities for management and optimisation of processes integrating microalgae cultivation and methanisation beyond bioenergy production, for example liquid wastes treatment and production of high-value byproducts

The development of renewable liquid fuels is essential for reducing the impact of the transport sector on the environment. To achieve this, photosynthetic microalgae offer a credible source of biomass that could potentially meet the volume demand of this sector. While much research effort has been invested in developing microalgal biodiesel, an economic process remains elusive. A more promising route is the thermochemical conversion of whole algal biomass, especially by hydrothermal liquefaction. This creates a viscous bio-oil that can be further upgraded into suitable hydrocarbon fuels. Although a host of research challenges remain, these processes utilise the whole biomass and remove the costly de-watering and extraction stages. As such, the thermochemical transformation of algal biomass offers a credible route to an affordable renewable transport fuel. This chapter reviews the chemical processing considerations of producing algal biodiesel and fuels from the thermochemical valorisation of algal biomass and discusses the remaining research challenges in this area.