Amélioration des conditions de bioproduction et d’extraction des caroténoïdes à partir des microalgues psychrophiles : sphaerocystis sp. et Pleurastrum sp. - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2024

Enhancement of conditions of bioproduction and extraction of carotenoids from psychrophilic microalgae Sphaerocystis sp. and Pleurastrum sp.

Amélioration des conditions de bioproduction et d’extraction des caroténoïdes à partir des microalgues psychrophiles : sphaerocystis sp. et Pleurastrum sp.

Résumé

This thesis focuses on improving the production of carotenoids from two strains of psychrophilic microalgae, Sphaerocystis sp. and Pleurastrum sp. These strains can grow at low temperature and low light intensity and synthesize astaxanthin and other carotenoids in response to abiotic stress. The culture step was carried out in two phases: green and red. During the green phase, it was observed that Pleurastrum sp. displays a growth rate of 0.23 day-1 and a final dry matter concentration of 1.2 g/L under conditions of 12 °C temperature, a low light intensity of 78 μmol/m2/s, and a rate of 2% CO2, in the BBM medium. On its side, Sphaerocystis sp., showed a growth rate of 0.38 day-1 and a final dry matter concentration of 1.45 g/L under similar conditions except at a rate of 1% CO2. In the red phase, the total carotenoid content varied between 2 and 7 mg/g DM. The exposure of Pleurastrum sp. in flocs to high light intensity or a phosphate deficiency led to a significant production of total and secondary carotenoids, the latter constituting up to 41.6% of the total carotenoids, while lutein reached about 48%. For Sphaerocystis sp., an initial deficiency in nitrogen and phosphorus, combined with intense light, stimulated the production of carotenoids, notably canthaxanthin, adonixanthin, and astaxanthin. Secondary carotenoids can reach 86.4% of the total carotenoids at the end of the red phase. The extraction of carotenoids was facilitated by the use of mechanical treatments. On H.pluvialis, the DMSO solvent proved to be particularly effective, allowing to reach a yield of88% in only 30 minutes without any treatment. Pretreatments by ultrasound (US) and pulsed electric field (PEF) allowed to accelerate the extraction kinetics with ethanol, which is the least effective solvent. Without pretreatment, ethanol requires 24 hours to reach a yield of 40%. Ethanol extraction after PEF treatment only slightly increased the yield (from 30-35% to 40-45%), unlike US treatment which allowed to reach a yield of 70-75%. On Sphaerocystis sp., ultrasound seems to allow to extract more carotenoids before the extraction step, with a potential yield of 40-60%. DMSO extraction could then allow to reach a potential yield of 80-90%. DMSO extraction after PEF treatment significantly increases the extraction yield, going from 10% to 82%. This suggests that PEF treatment seems to be less effective than US treatment. Finally, on Pleurastrum sp., bead milling and DMSO proved to be effective, with extraction yields of 75-95%. Although psychrophilic microalgae are less productive, with a total carotenoid content that is 7 times lower than that produced by H.pluvialis, they present a variety of carotenoids, such as canthaxanthin, adonixanthin, astaxanthin, and lutein. These findings constitute a robust foundation for future process optimization, intending to increase biomass production in photobioreactor and the yield of carotenoids from the selected strains.
Cette thèse porte sur l’amélioration de la production des caroténoïdes à partir de deux souches de microalgues psychrophiles, Sphaerocystis sp. et Pleurastrum sp. Ces souches peuvent se développer à basse température et à faible intensité lumineuse, et synthétisent l’astaxanthine et d’autres caroténoïdes en réponse à des stress abiotiques. L’étape de culture s’est déroulée en deux phases : verte et rouge. Au cours de la phase verte, il a été observé que Pleurastrum sp. affiche un taux de croissance de 0,23 jour-1 et une concentration en matière sèche finale de 1,2 g/L sous des conditions de température de 12 °C, une intensité lumineuse faible de 78 μmol/m2/s, et un taux de 2% en CO2, dans le milieu BBM. De son côté, Sphaerocystis sp., a montré un taux de croissance de 0,38 jour-1 et une concentration en matière sèche finale de 1,45 g/L dans des conditions similaires sauf à un taux de 1% en CO2. Dans la phase rouge, la teneur en caroténoïdes totaux a varié entre 2 et 7 mg/g MS. L’exposition de Pleurastrum sp. en flocs à une forte intensité lumineuse ou à une carence en phosphate a conduit à une production importante en caroténoïdes totaux et secondaires, ces derniers constituant jusqu’à 41,6% des caroténoïdes totaux, alors que la lutéine atteignait environ 48%. Pour Sphaerocystis sp., une carence initiale en azote et en phosphore, combinée à une lumière intense, a stimulé la production de caroténoïdes, notamment de canthaxanthine, d’adonixanthine et d’astaxanthine. Les caroténoïdes secondaires peuvent atteindre 86,4% des caroténoïdes totaux à la fin de la phase rouge. L’extraction des caroténoïdes a été facilité par l’utilisation des traitements mécaniques. Sur Haematococcus pluvialis, le solvant DMSO s’est révélé particulièrement efficace permettant d’atteindre un rendement de 88% en seulement 30 minutes sans aucun prétraitement. Les prétraitements par ultrasons (US) et par champ électrique pulsé (CEP) ont permis d’accélérer la cinétique d’extraction avec l’éthanol, qui est le solvant le moins efficace. Sans prétraitement, l’éthanol nécessite 24 heures pour atteindre un rendement de 40%. L’extraction à l’éthanol après traitement CEP n’a augmenté que légèrement le rendement (de 30-35% à 40-45%), contrairement au traitement US qui a permis d’atteindre un rendement de 70-75%. Sur Sphaerocystis sp., les ultrasons semblent permettre d’extraire davantage de caroténoïdes avant l’étape d’extraction, avec un rendement potentiel de 40-60%. L’extraction au DMSO pourrait ensuite permettre d’atteindre un rendement potentiel de 80-90%. L’extraction au DMSO après le traitement CEP augmente significativement le rendement d’extraction, passant de 10% à 82%. Cela suggère que le traitement CEP semble être moins efficace que le traitement par US. Enfin, sur Pleurastrum sp., le broyage à billes et le DMSO se sont avérés efficaces, avec des rendements d’extraction de 75-95%. Bien que, les microalgues psychrophiles soient moins productives, avec une teneur en caroténoïdes totaux qui est 7 fois inférieure à celle produit par H.pluvialis, elles présentent une variété de caroténoïdes, tels que la canthaxanthine, l’adonixanthine, l’astaxanthine et la lutéine. Ces découvertes constituent une fondation robuste pour l’optimisation future du procédé, dans le but d’augmenter la production de biomasse en photobioréacteur et le rendement des caroténoïdes à partir des souches sélectionnées.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04861650 , version 1 (02-01-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04861650 , version 1

Citer

Adila Gherabli. Amélioration des conditions de bioproduction et d’extraction des caroténoïdes à partir des microalgues psychrophiles : sphaerocystis sp. et Pleurastrum sp.. Génie des procédés. Université de Technologie de Compiègne, 2024. Français. ⟨NNT : 2024COMP2814⟩. ⟨tel-04861650⟩
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