Jornt Spit
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Le blogueur invité cette fois-ci est Jornt Spit, chercheur auprès du groupe de recherche Radius au sein du groupe universitaire belge Thomas More. Il dispose d’une formation en biochimie et biotechnologie. Les chercheurs au sein du groupe Radius travaillent sur une biomasse renouvelable, dans laquelle des algues et insectes sont cultivés pour être ensuite transformés en matières premières précieuses dans le cadre d’une bioéconomie. Dans cette étude, ils utilisent les régulateurs de débit massique de Bronkhorst pour un ajout précis de dioxyde de carbone.

Le CO2 en tant que source alternative précieuse de carbone

Ces dernières années, le dioxyde de carbone (CO2) en tant que source de carbone précieuse attire de plus en plus l’attention. Bien entendu, la concentration croissante de CO2 dans l’atmosphère place le sujet au centre des préoccupations. Dans ce sens, il existe une orientation accrue vers la durabilité dans la société et au sein du groupe Thomas More, nous œuvrons à une économie plus circulaire et plus biosourcée. Autrement dit, une économie dans laquelle les matériaux, les substances chimiques et l’énergie proviennent de sources (d’énergie) renouvelables, et non de combustibles fossiles. La biomasse alternative peut devenir une ressource importante pour cela.

Algoculture Thomas More

Notre groupe de recherche s’occupe de la culture de biomasse renouvelable, entre autres sous la forme d’algues. Nous réalisons ceci dans des conditions contrôlées, dans les grands tubes horizontaux d’un photobioréacteur. Nous avons choisi d’utiliser du CO2 pur en tant que source de carbone, et nous cultivons les algues en vue de différentes applications. Les algues peuvent être utiles par exemple dans le secteur de l’alimentation du bétail (« feed »), dans l’industrie alimentaire (« food »), dans l’industrie de la santé (« neutraceuticals »), ou dans l’industrie cosmétique. En tant que groupe de recherche, nous sommes moins impliqués dans le développement de ces applications ; pour nous, il s’agit plus de l’optimisation de la culture des algues, donc de l’aspect technologique du processus.

Des algues pour une transformation en matières premières précieuses

Les micro-algues forment un groupe très vaste et très divers. Plus de 50 000 sortes différentes d’algues sont décrites, et il en existe vraisemblablement des centaines de milliers au total. Il s’agit d’organismes unicellulaires, mais elles peuvent parfois également former des colonies. Les algues sont des organismes photoautotrophes. Cela signifie qu’elles utilisent le CO2 en tant que source de carbone, et qu’elles le transforment en sucres au moyen de la photosynthèse. Les micro-algues que nous cultivons contiennent un nombre particulièrement élevé de substances intéressantes. À commencer par les grands groupes que sont les protéines, les sucres et les graisses. Les micro-algues produisent ensuite aussi des substances chimiques de haute qualité, comme des pigments et des antioxydants. Ainsi dans le groupe Radius, nous cultivons une algue spéciale qui produit le colorant rouge précieux phycoérythrine. Les algues sont en fait de petites usines qui produisent toutes sortes de substances qui nous intéressent ; pour synthétiser ces substances donc, inutile pour nous de complètement réinventer la roue. Dans les cellules d’algues, tout est développé de manière évolutive pour produire ces substances intéressantes, uniquement sur la base de la lumière du soleil, du CO2 et de quelques nutriments. Il existe par conséquent un énorme potentiel pour l’utilisation de ces substances.

Culture d'algues Thomas More

Une culture d’algues croît en densité par division cellulaire. Lorsque les conditions le permettent, les algues continuent à se diviser jusqu’à ce qu’une culture atteigne sa densité maximale. À ce point, les algues sont récoltées : la biomasse algale constitue donc le produit même. Dans nos photobioréacteurs fermés, nous atteignons une densité de 1 à 2 grammes de matière sèche par litre, et nous pouvons alors extraire celle-ci. Cette biomasse peut être utilisée directement dans l’alimentation du bétail par exemple, mais nous pouvons également transformer la biomasse, la « fractionner », et en tirer les substances intéressantes. Nous réalisons cette dernière opération sous la forme de bio-raffinage ou d’extraction. La totalité du processus de culture, récolte et transformation des algues constitue un véritable défi, dont chaque étape est importante et doit être exécutée le plus efficacement possible pour rendre l’ensemble rentable.

Des régulateurs de débit massique pour un apport précis

Pour l’optimisation de la croissance, il est important de choisir une algue qui pousse dans les conditions dont nous disposons ici. Toutes les algues n’absorbent pas le CO2 avec la même efficacité, et toutes les algues ne poussent pas avec la même rapidité. Nous étudions à quelles températures les différentes sortes d'algues poussent le mieux, ainsi que la quantité de lumière dont elles ont besoin. Ici sur le campus, nous utilisons la lumière naturelle du soleil : les photobioréacteurs se trouvent dans une serre climatisée. Les algues poussent pendant la journée lorsque le soleil brille, et pas la nuit. Dans le cadre du projet interrégional « EnOp », nous posons la question de recherche suivante : si nous ajoutons du CO2 supplémentaire au réacteur, dans quelle mesure les algues pousseront-elles plus rapidement et quelles sortes d’algues absorberont le plus efficacement le CO2 ? Pour y répondre, nous avons besoin de régulateurs de débit massique, car nous voulons savoir exactement combien de CO2 nous avons ajouté.

Le CO2 est mélangé à l’air entrant qui est dirigé vers le réacteur, le CO2 se dissout ensuite dans le milieu de culture, avec à l’intérieur également d’autres substances nutritives. Étant donné que le CO2 (dioxyde de carbone) est un acide faible, l’acidité du milieu augmente de plus en plus (diminution du pH). Ceci a un effet négatif, car la plupart des algues ont une croissance optimale avec un pH compris en gros entre 7 et 8. Cependant, lorsque les algues poussent, elles absorbent le CO2 du milieu de culture, faisant remonter le pH. Le degré d’acidité est essentiel. Si le pH se retrouve en dehors de la plage souhaitée, les algues ont tendance à vouloir floculer. Les régulateurs de débit massique peuvent alors être également utilisés pour doser le CO2 de telle sorte que le pH demeure stable à un niveau optimal pour l’algue. C’est la raison pour laquelle le système de dosage a été couplé au pH, afin d’injecter le CO2 de la manière la plus optimale possible. De cette façon, nous pouvons voir quelle est la vitesse de croissance maximale de l’algue et combien de CO2 doit être ajouté à cet effet.

Description de l’image

Si une quantité excessive de CO2 est ajoutée, le pH du milieu de culture va chuter fortement (augmentation de l’acidité) et donc l’algue ne va plus pousser suffisamment. Si une quantité insuffisante de CO2 est ajoutée, il n’y a pas de problème en soi mais nous allons constater que l’algue pousse plus lentement, car la croissance est limitée par le manque de carbone. Il existe par conséquent une quantité optimale de CO2 à administrer. Et il y a encore autre chose : le CO2 doit avoir le temps de se dissoudre. Si le CO2 ne se dissout pas, il finit par simplement ressortir du réacteur, ce qui signifie qu’on gaspille du CO2. Le fait que le CO2 soit dissout et absorbé de manière efficace est donc également un facteur dont nous devons tenir compte. La conception du réacteur joue un rôle important à ce titre.

La précision joue donc un rôle majeur dans ce processus. Le régulateur de débit massique fait en sorte que nous puissions travailler en permanence de manière stable autour d’un niveau de pH déterminé et que nous sachions exactement combien de CO2 est ajouté.

... et l’avenir ?

Lorsque ce procédé est élargi pour passer à une échelle de production réelle, la logistique détermine en grande partie d’où est tiré le CO2. En principe, il est possible d’utiliser directement les gaz de fumée d’usines ; mais dans ce cas se pose le problème des substances comme l’oxyde de soufre et l’oxyde d’azote qui sont présentes dans ces gaz de fumée et qui, à certaines doses, freinent la croissance des algues. Mais il existe des solutions techniques pour cela. Reste la question : à quelle distance de la source de CO2 l’usine d’algues peut-elle se trouver au maximum ? Si cette distance est trop importante, le CO2 doit être transporté sous une autre forme contrôlée, par exemple sous forme de bicarbonate. En outre, des unités de captation de CO2 dans l’air peuvent être développées, permettant de capturer du CO2 supplémentaire à l’échelle locale. L’université de Twente y travaille par exemple dans le cadre d’un autre projet interrégional— le projet IDEA — sur la croissance des algues en Europe, auquel le groupe Radius Thomas More participe également. Ceci est possible d’un point de vue technologique, mais on en revient toujours à la question du prix de revient d’une telle technologie.

Source : pour cet article de blog, Jornt Spit est interviewé par Eddy Brinkman (Betase / Bronkhorst)

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