12.3 Algaeponique
12.3.1 Contexte
Les microalgues sont des photoautotrophes unicellulaires (allant de 0,2 μm à 100 μm) et sont classées dans divers groupes taxonomiques. Les microalgues peuvent être trouvées dans la plupart des environnements, mais elles se trouvent surtout dans les milieux aquatiques. Le phytoplancton est responsable de plus de 45 % de la production primaire mondiale et produit plus de 50 % de l’Osub2/sub atmosphérique. En général, il n’y a pas de différence majeure dans la photosynthèse des microalgues et des plantes supérieures (Deppeler et al., 2018). Cependant, en raison de leur taille plus petite et de la réduction d’un certain nombre d’organites physiologiques compétitifs internes, les microalgues peuvent croître beaucoup plus rapidement que les plantes plus élevées (Moheimani et al., 2015). Les microalgues peuvent également se développer dans des conditions nutritives limitées et peuvent s’adapter à un plus large éventail de conditions environnementales (Gordon et Polle, 2007). Plus important encore, la culture de microalgues ne fait pas concurrence à la production de cultures vivrières en ce qui concerne les terres arables et l’eau douce (Moheimani et al., 2015). De plus, les microalgues peuvent utiliser efficacement les nutriments inorganiques provenant des effluents résiduels (Ayre et al., 2017). En général, la biomasse des microalgues contient jusqu’à 50 % de carbone, ce qui en fait un candidat idéal pour la biorestauration du COsub2/sub atmosphérique (Moheimani et al., 2012).
L’augmentation de l’agriculture et de l’élevage dans le monde entier a entraîné une augmentation importante de l’azote et du phosphore biologiquement disponibles entrant dans la biosphère terrestre (Galloway et al., 2004). L’élevage des cultures et des animaux ainsi que les systèmes d’égout contribuent de façon significative à ces charges en éléments nutritifs (Schoumans et al., 2014). L’infiltration de ces éléments nutritifs dans les cours d’eau peut causer d’énormes problèmes environnementaux tels que les efflorescences d’algues nuisibles et la mortalité massive des poissons. Par exemple, aux États-Unis, la pollution par les éléments nutritifs due à l’agriculture est reconnue comme l’une des principales sources d’eutrophisation (Sharpley et al., 2008). Le contrôle du flux de nutriments provenant des exploitations agricoles vers l’environnement ambiant entraîne des défis techniques et économiques qui doivent être surmontés pour réduire ces effets. Divers processus ont été mis au point avec succès pour traiter les effluents de déchets présentant des charges organiques élevées. Cependant, presque toutes ces méthodes ne sont pas très efficaces pour éliminer les éléments inorganiques de l’eau. En outre, certaines de ces méthodes sont assez coûteuses à utiliser. Une méthode simple de traitement des déchets organiques est la digestion anaérobie (AD). Le procédé AD est bien compris et, lorsqu’il est utilisé efficacement, il peut convertir plus de 90 % des matières organiques des eaux usées en biométhane et en COSub2/sub (Parkin et Owen, 1986). Le méthane peut être utilisé pour produire de l’électricité et la chaleur produite peut être utilisée à diverses fins supplémentaires. Cependant, le procédé AD entraîne la création d’un effluent de digestion anaérobie (ADE) qui est très riche en phosphate inorganique et en azote ainsi qu’en COD élevée (demande en oxygène carbonique). À certains endroits, cet effluent peut être traité à l’aide de microalgues et de macroalgues (Ayre et al., 2017).
12.3.2 Systèmes de croissance des algues
Depuis que le Comité des Nations Unies a recommandé que les cultures agricoles conventionnelles soient complétées par des aliments riches en protéines d’origine non conventionnelle, les microalgues sont devenues des candidats naturels (Richmond et Becker, 1986). La première culture de microalgues a été réalisée en 1890 en cultivant \ Chlorella vulgaris (Borowitzka 1999). En raison du fait que les microalgues se divisent normalement à un certain moment de la journée, le terme cyclostat a été développé afin d’introduire un cycle clair/sombre (circadien) dans la culture (Chisholm et Brand, 1981). La culture à grande échelle des microalgues et l’utilisation partielle de leur biomasse, en particulier comme base pour certains produits tels que les lipides, ont probablement commencé sérieusement dès 1953 dans le but de produire des aliments à partir d’une culture à grande échelle de *Chlorella \ * (Borowitzka 1999). Typiquement, les algues peuvent être cultivées en liquide à l’aide d’étangs ouverts (Borowitzka et Moheimani, 2013), de photobioréacteurs fermés (Moheimani et al., 2011) ou d’une combinaison de ces systèmes. Les algues peuvent également être cultivées sous forme de biofilms (Wijihastuti et al., 2017).
Photobioréacteurs fermés (après Moheimani et al. 2011) : Les cultures d’algues fermées (photobioréacteurs) ne sont pas exposées à l’atmosphère mais sont recouvertes d’un matériau transparent ou contenues dans des tubes transparents. Les photobioréacteurs ont l’avantage distinct de prévenir l’évaporation. Les photobioréacteurs fermés et semi-fermés sont principalement utilisés pour la production de produits algues de grande valeur. En raison du coût global des dépenses d’exploitation (OPEX) et des dépenses en capital (CAPEX), les photobioréacteurs fermés sont moins économiques que les systèmes ouverts. D’un autre côté, il y a moins de contamination et moins de pertes de COSub2/Sub, et en créant des conditions de culture reproductibles et une flexibilité dans la conception technique, cela en fait un bon substitut aux étangs ouverts. Certaines des faiblesses des systèmes fermés peuvent être surmontées par (a) la réduction de la trajectoire lumineuse, (b) la résolution de la complexité du cisaillement (turbulence), la réduction de la concentration d’oxygène et (c) la mise en place d’un système de régulation de la température. Les photobioréacteurs fermés sont principalement divisés en : a) charboys, b) tubulaires, c) airlift et d) photobioréacteurs à plaques.
Étangs ouvert (après Borowitzka et Moheimani 2013) : les étangs ouverts sont le plus couramment utilisés pour la culture de microalgues en plein air à grande échelle. La principale production commerciale d’algues est basée sur des canaux ouverts (chemins de roulement) qui sont moins chers, plus faciles à construire et à exploiter par rapport aux photobioréacteurs fermés. En outre, la croissance des microalgues rencontre moins de difficultés dans les systèmes de culture ouverts que dans les cultures fermées. Cependant, quelques espèces de microalgues (p. ex. Dunaliella salina, Spirulina sp., Chlorella sp.) ont été cultivées avec succès dans des étangs ouverts. Les coûts de production commerciale de microalgues sont élevés, approximativement compris entre 4 et 20 \ $US/GSUP-1/SUP. La culture commerciale de microalgues en plein air à grande échelle s’est développée au cours des 70 dernières années, et des étangs encore (non agités) et agités ont été développés et ont été utilisés sur une base commerciale. Les très grands étangs ouverts non agités sont simplement construits à partir d’étangs naturels avec des lits ouverts dont la profondeur est généralement inférieure à 0,5 m. Dans certains petits étangs, la surface peut être recouverte de feuilles de revêtement en plastique. Les étangs ouverts non agités représentent la méthode de culture commerciale la plus économique et la moins technique et ont été utilisés commercialement pour la production de Dunaliella salina β-carotène en Australie. Ces étangs sont principalement limités à des microalgues en croissance qui sont capables de survivre dans de mauvaises conditions ou qui ont un avantage concurrentiel qui leur permet de dépasser les contaminants tels que les protozoaires, les microalgues indésirables, les virus et les bactéries. D’autre part, les étangs agités ont l’avantage d’un régime de mélange. La plupart des étangs agités sont soit (a) des étangs circulaires avec des agitateurs rotatifs, soit (b) des étangs simples ou raccordés.
Les étangs de culture circulaire ont été principalement utilisés pour la culture à grande échelle de microalgues, en particulier en Asie du Sud-Est. Les étangs circulaires atteignant 45 m de diamètre et généralement 0,3 à 0,7 m de profondeur sont découverts, mais certains exemples sont recouverts de dômes en verre. Les faibles contraintes de cisaillement nécessaires à la production de microalgues sont produites dans ces systèmes, en particulier au centre de l’étang, ce qui constitue un avantage distinct de ce type de systèmes. Certains inconvénients comprennent des structures en béton coûteuses, une utilisation inefficace des sols avec de grandes empreintes, des difficultés à contrôler le mouvement du dispositif d’agitation et le coût supplémentaire de la fourniture de COSub2/Sub.
Les pistes de course à roues à aubes sont le système commercial le plus courant de culture des microalgues. Les pistes de course sont généralement construites en un seul canal ou en tant que canaux reliés. Les pistes sont généralement peu profondes (0,15 à 0,25 m de profondeur), sont construites en boucle et couvrent normalement une superficie d’environ 0,5 à 1,5 ha. Les pistes de course sont surtout utilisées et recommandées pour la culture commerciale majeure de trois espèces de microalgues, dont Chlorella, Spirulina et Dunaliella. Un risque élevé de contamination et une faible productivité, résultant principalement de mauvais régimes de mélange et de pénétration de la lumière, sont les principaux inconvénients de ces systèmes ouverts. Dans les chemins de roulement, des concentrations de biomasse allant jusqu’à 1000 mg de poids sec.LSUP-1/SUP et des productivités de 20 g de poids sec.msup2/sup.dsup-1/sup ont été montrées possibles.
Le prix de la production de microalgues rend la réalisation économique fortement tributaire de la commercialisation de produits coûteux et exclusifs, pour lesquels la demande est naturellement restreinte. Les chemins de roulement sont également le système de culture le plus utilisé pour le traitement des eaux usées (Parks et Craggs, 2010).
Culture solide (après Wijihastuti et al. 2017) : Une autre méthode de culture de microalgues consiste à immobiliser les cellules dans une matrice polymère ou à les attacher à la surface d’un support solide (biofilm). En général, le rendement en biomasse de ces cultures de biomasse est supérieur d’au moins 99 % à celui des cultures à base liquide. L’assèchement est l’une des parties les plus coûteuses et les plus énergivores de toute production d’algues de masse. Le principal avantage de la croissance du biofilm est la possibilité de réduire le processus d’assèchement et la consommation d’énergie qui y est associée et donc les coûts. La culture du biofilm peut également augmenter la capture de la lumière cellulaire, réduire le stress environnemental (p. ex. pH, salinité, toxicité des métaux, irradiance très élevée), réduire le coût de production et réduire la consommation d’éléments nutritifs. Des méthodes de culture à base de solides peuvent être utilisées pour le traitement des eaux usées (élimination des nutriments et des métaux). Il existe trois méthodes principales pour la culture du biofilm : (a) 100% immergé directement dans un milieu, (b) partiellement immergé dans un milieu et (c) utiliser un substrat poreux pour délivrer les nutriments et l’humidité du milieu aux cellules.
12.3.3 Besoins en éléments nutritifs pour la croissance des algues
Un certain nombre de facteurs physiques, chimiques et biologiques inhibiteurs peuvent inhiber la production élevée de microalgues. Elles sont décrites dans le tableau 12.1.
Une connaissance de base des limites critiques de croissance est probablement le facteur le plus essentiel avant d’appliquer une microalgue à n’importe quel procédé. La lumière est de loin le facteur limitant le plus important qui affecte la croissance de n’importe quelle algue. La température est également un facteur critique pour la production d’algues massives (Moheimani et Parlevliet, 2013). Cependant, ces variables sont difficiles à contrôler (Moheimani et Parlevliet, 2013). Outre la lumière et la température, les nutriments sont le facteur limitant le plus important pour la croissance de n’importe quelle algue (Moheimani et Borowitzka, 2007) et chaque espèce de microalgues a tendance à avoir ses propres besoins en nutriments optimaux. Les nutriments les plus importants sont l’azote, le phosphore et le carbone (Oswald, 1988). La plupart
table tbody tr Facteurs thabiotiques/th td Lumière (qualité, quantité) /td /tr tr class=“impair » td/td td Température /td /tr tr class=“même » td/td td Concentration en nutriments /td /tr tr class=“impair » td/td td Osub2/sub /td /tr tr class=“même » td/td td COSub-2/Sub et pH /td /tr tr class=“impair » td/td td Salinité /td /tr tr class=“même » td/td td Produits chimiques toxiques /td /tr tr class=“impair » Facteurs THbiotiques/th td Pathogènes (bactéries, champignons, virus) /td /tr tr class=“même » td/td td Concurrence par d’autres algues /td /tr tr class=“impair » Thoperational Facteurs/th td Cisaillement produit par mélange /td /tr tr class=“même » td/td td Taux de dilution /td /tr tr class=“impair » td/td td Profondeur /td /tr tr class=“même » td/td td Fréquence de récolte /td /tr tr class=“impair » td/td td Ajout de bicarbonate /td /tr /tbody /table
Tableau 12.1 Limites de croissance et de productivité des microalgues (Moheimani et Borowitzka, 2007)
les algues répondent à la limitation de l’azote en augmentant leur teneur en lipides (Moheimani, 2016). Par exemple, Shifrin et Chisholm (1981) ont rapporté que chez 20 à 30 espèces de microalgues qu’ils ont examinées, les algues ont augmenté leur teneur en lipides sous privation de N. Le phosphore est également un élément nutritif important nécessaire à la croissance des microalgues, car il joue un rôle essentiel dans le métabolisme et la régulation des cellules, puisqu’il participe à la production d’enzymes, de phospholipides et de composés fournissant de l’énergie (Smith, 1983). Les études de Brown et Button (1979) sur l’algue verte Selenastrum capricornutum ont montré une limitation apparente de la croissance lorsque la concentration de phosphate du milieu était inférieure à 10 nM. Le COSub2/Sub est également un nutriment essentiel pour atteindre une productivité élevée des algues (Moheimani, 2016). Par exemple, si le COSub2/Sub n’est pas ajouté à la culture d’algues, la productivité moyenne peut être réduite jusqu’à 80 % (Moheimani, 2016). Cependant, l’ajout de COSub2/sub aux étangs d’algues est plutôt coûteux (Moheimani, 2016). Le moyen le plus économique d’introduire le COSub2/Sub dans un milieu de culture est le transfert direct du gaz dans le milieu en faisant des bulles à travers des pierres poreuses frittées ou en utilisant des tuyaux sous des feuilles de plastique immergées comme injecteurs COSub2/Sub (Moheimani 2016). Malheureusement, dans toutes ces méthodes, il y a encore une forte perte de COSub2/Sub dans l’atmosphère en raison du temps de rétention court des bulles de gaz dans la suspension d’algues.
Bien que l’ajout de N, P et C soit essentiel, d’autres nutriments influent également sur la croissance et le métabolisme des microalgues. Un manque d’autres nutriments, comme le manganèse (Mn) et divers autres cations (MgSUP2+/SUP, KSUP+/SUP et CaSUP2+/SUP), est également connu pour réduire la croissance des algues (Droop, 1973). Les oligo-éléments sont également essentiels à la croissance des microalgues et certaines microalgues ont également besoin de vitamines pour leur croissance (Croft et al., 2005). Une façon efficace et peu coûteuse de fournir des nutriments consiste à combiner la culture d’algues et le traitement des eaux usées, dont il est question immédiatement ci-dessous.
12.3.4 Traitement des algues et des eaux usées
Compte tenu de l’augmentation de la détérioration de l’environnement et de la nécessité accrue de produire des sources d’alimentation et d’énergie de remplacement, il y a un élan pour étudier la faisabilité des traitements biologiques des eaux usées associés à la récupération des ressources. Les traitements des eaux usées des microalgues ont été particulièrement attrayants, en raison des activités photosynthétiques des algues, où la lumière est transférée dans la biomasse rentable. Dans certaines conditions, la biomasse des microalgues cultivées dans les eaux usées peut être équivalente ou supérieure à celle des espèces végétales supérieures. Ainsi, le procédé peut transformer un produit déchet en produits utiles (p. ex. aliments pour animaux, aliments pour aquaculture, bio-engrais et bioénergie). Ainsi, l’effluent des déchets n’est plus un produit déchet négatif, mais il devient un substrat précieux pour la production de substances importantes et une biorestauration réussie des eaux usées microalgues est signalée depuis plus d’un demi-siècle (Oswald et Gotass, 1957 ; Delrue et al., 2016). La phytorestauration des algues fournit en effet une solution écologique favorable au traitement des eaux usées, car elle peut utiliser efficacement les nutriments organiques et inorganiques (Nwoba et al., 2017). Les cultures de microalgues présentent un potentiel énorme pour les étapes ultérieures du traitement des eaux usées, en particulier pour réduire le ‘N’, ‘P’ et ‘COD’ (Nwoba et al., 2016). De plus, la capacité accrue des microalgues à se développer grâce à différentes conditions nutritionnelles telles que les conditions photoautotrophes, mixotrophes et hétérotrophes améliore également sa capacité à éliminer différents types de polluants et de produits chimiques des matrices aqueuses. La capacité des microalgues à séquestrer le carbone (COSub2/Sub) permet la biorestauration du COSub2/Sub. La relation algal-bactérie synchronisée établie est également idéalement synergique pour la biorestauration des eaux usées (Munoz et Guieysse, 2006). Grâce à la photosynthèse, les microalgues fournissent l’oxygène nécessaire aux bactéries aérobies pour la minéralisation de la matière organique ainsi que l’oxydation de NHsub4/Subsup+/SUP (Munoz et Guieysse 2006). En retour, les bactéries fournissent du dioxyde de carbone pour la croissance des microalgues, ce qui réduit considérablement la quantité d’oxygène nécessaire pour le processus global de traitement des eaux usées (Delrue et al., 2016). En général, les effluents de déchets dont le rapport carbone/azote est faible sont fondamentalement adaptés à la croissance d’organismes photosynthétiques. Plus important encore, le traitement des eaux usées domestiques et agricoles par microalgues est une option attrayante car la technologie est relativement facile et nécessite une très faible énergie par rapport à la norme de traitement des effluents. L’optimisation du traitement des eaux usées par les microalgues dans les grands bassins de circulation est attrayante car elle combine le traitement efficace d’un produit de déchets nocifs et la production d’une biomasse d’algues potentiellement riche en protéines. La figure 12.1 résume un système en boucle fermée pour le traitement des déchets organiques par combinaison de la digestion anaérobie et de la culture des algues.
12.3.5 Algues et Aquaponie
Les microalgues en aquaculture et dans les systèmes aquaponiques sont le plus souvent considérées comme une nuisance car elles peuvent limiter les flux d’eau en obstruant les tuyaux, en consommant de l’oxygène,
Fig. 12.1 Système de traitement intégré pour l’utilisation de la culture d’algues pour le traitement des déchets organiques et des utilisateurs finaux potentiels. (Le processus est conçu à partir d’informations provenant d’Ayre et al. 2017 et de Moheimani et al. 2018 )
peut attirer les insectes, réduire la qualité de l’eau et, lors de la décomposition, peut appauvrir l’oxygène. Cependant, une expérience d’Addy et al. (2017) montre que les algues peuvent améliorer la qualité de l’eau dans un système aquaponique, aider à contrôler les baisses de pH liées au processus de nitrification, générer de l’oxygène dissous dans le système, « produire des acides gras polyinsaturés comme aliment à valeur ajoutée pour les poissons, ajouter de la diversité et améliorer résilience au système ». L’un des « saints Graaux » de l’aquaponie est de produire au moins une partie de la nourriture qui est nourrie aux poissons dans le cadre du système et c’est ici que des recherches sont nécessaires pour produire des algues qui pourraient être cultivées avec une partie de l’eau aquaponique, probablement dans une boucle séparée, qui peut ensuite être alimentée dans le cadre de la régime alimentaire pour le poisson.