Les microalgues sont capables de synthétiser une grande variété de produits naturels utilisés dans divers secteurs industriels. La lyse cellulaire est une étape cruciale pour la libération des molécules cibles. Plusieurs techniques mécaniques sont envisagées telles que l’ultrason (US) et l'homogénéisation à haute pression (HHP). Toutefois, elles conduisent à un extrait complexe nécessitant une série d'étapes de séparation pour obtenir des fractions purifiées. L’objectif de cette thèse est de développer un procédé de bioraffinage basé sur le fractionnement des extraits en combinant plusieurs opérations unitaires. Tout d’abord, l’effet de la lyse cellulaire est étudié par différentes techniques, puis l’effet de l’ultrafiltration sur l’extrait présentant la plus forte teneur en protéines a également été étudié, avant de modéliser l’ensemble du procédé. Ces études ont été réalisées sur deux types de microalgues : Tetraselmis suecica et un mélange de Chlorella vulgaris et d’Aphanizomenon flos-aquae (AFA).
L’HHP s’est avérée être la méthode la plus efficace pour la lyse cellulaire des deux espèces étudiées, avec des conditions d’application spécifiques. Pour Tetraselmis suecica, une pression de 300 bars et 2 passages ont permis d’extraire 60% des protéines totales. Cependant, l’extrait initialement obtenu contenait une teneur élevée en sels (35,5 ± 0,8% MS), réduisant ainsi la pureté des protéines à 26,1 ± 0,3% MS. Cet extrait a ensuite été dessalé et concentré par ultrafiltration par cellule agitée, permettant d’éliminer 79,5 ± 0,5% des sels et d’augmenter la concentration en protéines à 50 g/L dans le rétentat final. Pour le mélange de Chlorella vulgaris et AFA, l’HHP à 600 bars avec un seul passage a permis d’extraire 38% des protéines, produisant un extrait contenant de la phycocyanine de qualité alimentaire. L’ultrafiltration a également permis de concentrer les protéines et les phycobiliprotéines de cet extrait.
Ces procédés ont été modélisés, et une étude techno-économique a été menée pour évaluer la viabilité du procédé à l’échelle industrielle. Les résultats montrent que les deux processus pourraient être rentables dans certains scénarios étudiés. Une analyse de sensibilité a également été effectuée pour examiner l’impact des principaux paramètres sur la rentabilité et la performance du procédé. Les études de rentabilité ont été réalisées pour un prix de vente de 150 $/kg d’extrait sec (95% MS) de Tetraselmis suecica et de 350 $/kg d’extrait sec du mélange de Chlorella vulgaris et d’AFA. |
Microalgae are capable of synthesizing a wide variety of natural products used across various industrial sectors. Cell lysis is a crucial step for releasing target molecules. Several mechanical techniques, such as ultrasound (US) and high-pressure homogenization (HPH), are considered. However, these methods yield complex extracts that require multiple separation steps to obtain purified fractions. The objective of this thesis is to develop a biorefinery process based on the fractionation of extracts by combining several unit operations. First, the effects of cell lysis were investigated using different techniques, followed by an analysis of the impact of ultrafiltration on the extract with the highest protein content, before modeling the entire process. These studies were conducted on two types of microalgae: Tetraselmis suecica and a mixture of Chlorella vulgaris and Aphanizomenon flos-aquae (AFA).
HPH was found to be the most effective method for cell lysis in both species, with specific application conditions. For Tetraselmis suecica, applying a pressure of 300 bars and two passes allowed for the extraction of 60% of the total proteins. However, the initially obtained extract contained a high salt concentration (35.5 ± 0.8% DW), which reduced the protein purity to 26.1 ± 0.3% DW. This extract was subsequently desalted and concentrated using ultrafiltration in a stirred cell unit, effectively removing 79.5 ± 0.5% of the salts and increasing the protein concentration to 50 g/L in the final retentate. For the mixture of Chlorella vulgaris and AFA, HPH at 600 bars with a single pass extracted 38% of the proteins, producing an extract containing food-grade phycocyanin. Ultrafiltration also concentrated the proteins and phycobiliproteins from this extract.
These processes were modeled, and a techno-economic study was conducted to assess the feasibility of the process on an industrial scale. The results indicate that both processes could be profitable under certain scenarios. A sensitivity analysis was performed to evaluate the impact of key parameters on the profitability and feasibility of the process. Feasibility studies were based on a sale price of $150/kg for dry extract (95% DW) of Tetraselmis suecica and $350/kg for dry extract of the Chlorella vulgaris and AFA mixture. |