La présente description détaille un procédé de production de microalgues du genre Chlorella par fermentation en mode discontinu alimenté, caractérisé par des ajouts de source carbonée réalisés de manière séquentielle et automatique en réponse à une baisse de la consommation en oxygène, mesurée par la pression partielle d’oxygène dissous (PO2) dans le milieu.
Le principe central consiste à asservir l’apport en glucose à la PO2: lorsque la consommation en oxygène diminue, indiquant une baisse du métabolisme, une arrivée en glucose est déclenchée et injectée rapidement pour maintenir la croissance sans accumulation excessive de glucose résiduel.
Choix biologique et conditions de culture
La microalgue peut être choisie dans le groupe Chlorella protothecoides, Chlorella sorokiniana et Chlorella vulgaris, et de préférence Chlorella protothecoides.
La source carbonée peut être le glucose, l’acétate, l’éthanol ou un mélange de ces substrats, avec une préférence nette pour le glucose.
La mesure de PO2 permet de détecter une baisse de la consommation; une augmentation de PO2 déclenche l’apport en glucose qui est réalisé par pulses (puises) séquentiels et rapides, afin de ramener la concentration en glucose dans le moût à des valeurs déterminées sans dépasser les limites de saturation ni provoquer d’inhibitions métaboliques.
Paramètres et mécanisme de régulation
Les ajouts de glucose se font en temps court, typiquement moins de 10 minutes (idéalement environ 6 minutes), jusqu’à obtenir une concentration cible dans le moût de fermentation comprise entre 1 et 20 g/L, et plus souvent autour de 10 g/L.
La pompe d’alimentation est programmée pour délivrer 10 à 20 g/L de glucose en moins de 10 minutes avec un volume total ajusté au volume initial du fermenteur. Le déclenchement et le débit dépendent des paramètres PID (proportionnel, intégral, dérivé) qui régulent l’agitation, le flux d’air et d’éventuelles contre-pression ou apport d’O2.
Contrairement à des approches en continu, les pulses déclenchent dès que la PO2 dépasse une valeur seuil par rapport à la PO2 mesurée lorsque la concentration en glucose n’est pas limitante. La valeur seuil de PO2 peut varier de 1 à 100 %, mais est typiquement évaluée entre 10 et 80 %, et préférentiellement entre 15 et 70 %.
La valeur PO2 correspondant à une condition non limitante en source carbonée est généralement autour de 20 à 40 %, plus particulièrement environ 30 %. Le délai entre le moment où la source est entièrement consommée et le prochain apport est inférieur à 5 minutes, et idéalement inférieur à 1 minute.
Le système maintient la concentration résiduelle en glucose dans le moût entre 0 et 20 g/L, préférentiellement sous 10 g/L, afin d’éviter les périodes de glucose résiduel élevé ou nul et d’assurer une productivité maximale sans sous- ou sur-alimentation.
Avantages et performances
La méthode permet une productivité élevée, sans accumulation de glucose inhibiteur et sans sous-alimentation, ce qui maximise le rendement de conversion Yx/s, traditionnellement défini comme le rapport biomasse produite sur glucose consommé.
Les résultats indiquent une augmentation notable de la productivité par rapport à des systèmes ouverts et une amélioration par rapport à des photobioréacteurs, avec des concentrations de biomass en centaines de g/L et une réduction des coûts de production, tout en assurant une qualité de produit élevée.
Ce mode fed-batch automatise la régulation, réduit les interventions humaines et permet des ajustements précis répondant directement aux besoins métaboliques des microalgues. La culture peut être réalisée dans des réacteurs adaptés et l’algue utilisée peut être Chlorella protothecoides, Chlorella sorokiniana ou Chlorella vulgaris.
Comparaisons avec les approches traditionnelles
Dans les modes de culture fed-batch classiques sous glucose limitant, l’alimentation est généralement continue et régulée par la concentration résiduelle en glucose. En revanche, la présente méthode repose sur des pulses qui répondent à la PO2, évitant les concentrations en glucose résiduelles élevées et les risques d’accumulation.
Cette approche permet d’obtenir une meilleure robustesse et reproductibilité du procédé, une réduction du temps de fermentation nécessaire pour atteindre des seuils de biomasse élevés et une meilleure maîtrise du profil sensoriel des produits obtenus, tout en favorisant une production adaptée à l’échelle industrielle.
Exemplaire de fonctionnement et étude comparative
Exemple type: le volume initial est ajusté à 7 L; lorsque la PO2 indique une diminution de la consommation, le pulse de glucose est déclenché et délivré jusqu’à atteindre la concentration cible, puis interrompu jusqu’à la prochaine remontée de PO2. Cette séquence se répète jusqu’à l’obtention de la biomasse visée (par exemple 70 g/L) ou jusqu’à l’épuisement des nutriments nécessaires à la croissance.
Le protocole selon l’invention montre une productivité accrue et une régulation fine de la nutrition, ce qui permet d’éviter les notes indésirables et les variations de qualité associées à une alimentation non régulée.
Perspectives industrielles et technologies associées
Les procédés de fermentation, y compris batch et fed-batch, jouent un rôle clé dans les biotechnologies industrielles, que ce soit pour des produits alimentaires, pharmaceutiques ou énergétiques. L’automatisation et l’optimisation énergétique, avec une isolation thermique des équipements et une gestion efficace des déchets, s’inscrivent dans une logique d’industrie durable et scalable.
- Le recours au contrôle automatique de la PO2 pour guider l’alimentation en substrat permet une régulation plus fine et une meilleure productivité.
- Les choix microbiens et les paramètres opérationnels doivent être adaptés à la souche et au substrat utilisés pour optimiser les rendements et les qualités organoleptiques du produit final.
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La méthode est applicable à des microalgues du genre Chlorella et peut être adaptée à d’autres souches, avec des ajustements des seuils PO2 et des concentrations cibles selon le profil métabolique recherché.
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