Optimization of microalgae efficiency using reduced metabolic models
Optimisation de l'efficacité des microalgues par des modèles métaboliques réduits
Résumé
This thesis is concerned with the modeling of microalgae and optimization of its productivity. Microalgae are unicellular organisms capable of growing autotrophically, via photosynthesis, and also heterotrophically when organic carbon is available. A great variety of factors influence the grow of microalgae, the first part of this thesis focus on macroscopic effects - temperature, light intensity and contamination by predators - and in the second part, effects at the metabolic level - substrate composition and vitamin influence on kinetics.In the first work, we analyze the influence of greenhouses in the cultivation of phytoplankton. For this we propose a model for the marine green algae Tetraselmis suecica, and adapt it to four other species. Experiments under a greenhouse were carried out for the marine green algae Tetraselmis suecica, shifting the temperature of two raceways compared to a reference raceway with free evolving temperature. The productivity model was then parametrized and validated accounting for the recorded evolution of temperature and light. The yearly raceway pond production and the benefit of greenhouse usage were assessed under different scenarios for the five considered species.We also study zooplankton contamination which represents a major constraint in large-scale microalgal cultivation systems. While zooplankton contamination cannot be avoided, their development can be controlled by regulating the dilution rate. However, it is not straightforward to find the best control strategy for the dilution rate. Low dilution rates (or long retention times) favor grazer development and high dilution rates avoid their establishment at the risk of reducing microalgal productivity. Furthermore, the presence of periodic regimes arising from the interaction predator-prey makes it unclear if the presence of grazers must be completely avoided. We study the role of the dilution rate in the control of zooplankton populations and in the optimization of biomass productivity. We show that in the long-term operation, the optimal constant dilution rate must ensure the eradication of the zooplankton population.In the second part of the thesis, we propose a metabolic modeling of Chlorella sp. growing on fermentation wastes in mixotrophic conditions, accounting also for the possible inhibitory substrates. An emerging idea is to couple wastewater treatment and biofuel production using microalgae to achieve higher productivities and lower costs. This model extends previous works by modifying the metabolic network to include the consumption of glycerol and glucose by Chlorella sp., with the goal to test the addition of these substrates in order to overcome butyrate inhibition. The metabolic model was built using the DRUM framework and consists of 188 reactions and 173 metabolites. After a calibration phase, the model was successfully challenged with data from 122 experiments collected from scientific literature in autotrophic, heterotrophic and mixotrophic conditions. The optimal feeding strategy estimated with the model reduces the time to consume the volatile fatty acids from 16 days to 2 days.At last, we apply the metabolic modeling framework to bacteria. First, by modeling a thiamine auxotroph E. coli to maximize the production of lactate. Then, we extend the previous developed metabolic model to describe a co-culture of Chlorella with bacteria E. coli overproducing the vitamin biotin. We model the influence of biotin concentration in the accumulation of lipids. Model results support that an E. coli biotin overproducer could sustain enough production of vitamin for lipid accumulation of Chlorella.This modeling framework of symbiotic interactions opens new routes for enhancing design and operation of bioprocesses.
Cette thèse a comme sujet la modélisation des microalgues et l'optimisation de leur productivité. Les microalgues sont des organismes unicellulaires capables de croître de manière autotrophe, via la photosynthèse, et également de manière hétérotrophe lorsque du carbone organique est disponible. Une grande variété de facteurs influencent la croissance des microalgues, la première partie de cette thèse se concentre sur les effets macroscopiques - température, intensité lumineuse et contamination par des prédateurs - et dans la deuxième partie, les effets au niveau métabolique - substrat et influence des vitamines sur la cinétique.Premièrement, nous analysons l'influence des serres sur la productivité. Nous proposons un modèle pour Tetraselmis suecica, et l'adaptons à quatre autres espèces. Des expériences sous serre ont été réalisées, en décalant la température de deux raceways par rapport à un raceway de référence à température ambiante. Le modèle de productivité a ensuite été validé en tenant compte de l'évolution de la température et de la lumière. La production annuelle des raceways et le bénéfice de l'utilisation des serres ont été évalués selon différents scénarios pour les cinq espèces considérées.Nous étudions également la contamination par le zooplancton qui représente une contrainte majeure dans les systèmes de culture de microalgues à grande échelle. La contamination peut être contrôlé en régulant le taux de dilution. Cependant, il n'est pas simple de trouver la meilleure stratégie de contrôle du taux de dilution. Des taux de dilution faibles favorisent le développement des prédateurs et des taux de dilution élevés évitent leur établissement au risque de réduire la productivité des microalgues. De plus, la présence de régimes périodiques issus de l'interaction prédateur-proie ne permet pas de savoir si la présence de prédateurs doit être complètement évitée. Nous étudions le rôle du taux de dilution dans le contrôle des populations de zooplancton et dans l'optimisation de la productivité de la biomasse. Nous montrons que, à long terme, le taux de dilution constant optimal doit assurer l'éradication de la population de zooplancton.Dans la deuxième partie de la thèse, nous proposons un modèle métabolique de Chlorella sp. se développant sur des déchets de fermentation dans des conditions mixotrophes, en tenant compte également des substrats inhibiteurs. Une idée émergente est de coupler le traitement des eaux usées et la production de biocarburants en utilisant des microalgues pour atteindre des productivités plus élevées et des coûts plus faibles. Ce modèle étend les travaux précédents en modifiant le réseau métabolique pour inclure la consommation de glycérol et de glucose, dans le but de tester l'ajout de ces substrats afin de surmonter l'inhibition du butyrate. Le modèle métabolique a été construit en utilisant la méthode DRUM et comprend 188 réactions et 173 métabolites. Après une phase de calibration, le modèle a été confronté avec des données de 122 expériences collectées dans la littérature scientifique. La stratégie d'alimentation optimale estimée avec le modèle réduit le temps de consommation des acides gras volatils de 16 jours à 2 jours.Enfin, nous appliquons ce cadre de modélisation métabolique aux bactéries. Tout d'abord, en modélisant une E. coli auxotrophe en thiamine pour maximiser la production de lactate. Ensuite, nous étendons le modèle métabolique développé précédemment pour décrire une co-culture de Chlorella avec la bactérie E. coli surproduisant la vitamine biotine. Nous modélisons l'influence de la concentration de biotine dans l'accumulation de lipides. Les résultats du modèle confirment qu'un surproducteur de biotine E. coli pourrait maintenir une production suffisante de vitamine pour l'accumulation de lipides de Chlorella.Ce cadre de modélisation des interactions symbiotiques ouvre de nouvelles voies pour améliorer la conception et le fonctionnement des bioprocédés.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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