Effects of hydrodynamic stress on microorganisms in photobioreactors for biofuel production

• Main Author: Fadlallah, Hadi
• Other Authors: Sorbonne Paris Cité
• Language: en
• Published: 2016
• Subjects: Stress hydrodynamique; Shear stress
• Online Access: http://www.theses.fr/2016USPCC281/document

Dans la crise énergétique mondiale actuelle, la demande de production d'énergie reposant sur des sources renouvelables est en hausse. Les biocarburants offrent une option intéressante pour cette transition énergétique. Les intérêts dans le développement d'une troisième génération de biocarburants produits à partir de microalgues et de cyanobactéries ont nettement augmenté. Ainsi, la conception et la construction des systèmes de culture qui fonctionnent dans des conditions optimales sont nécessaires pour bénéficier au maximum du contenu énergétique de ces espèces. Les photobioréacteurs (PBRs) sont des systèmes qui offrent un bon contrôle sur les conditions de culture et de la croissance.Les effets du stress hydrodynamique sur la croissance ainsi que sur la motilité de deux espèces de microorganismes, la cyanobactérie Synechocystis et la microalgue Chlamydomonas reinhardtii, sont étudiés dans deux types de PBR: cuve agitée (agitation mécanique) et airlift tubulaire (agitation par des bulles ascendantes). Les résultats ont montré que Synechocystis est très résistant au cisaillement; la variation de son taux de croissance exponentiel est limitée à la décomposition des colonies cellulaires, alors que sa capacité porteuse semble augmenter avec le cisaillement jusqu'à une valeur maximale. D'autre part, C. reinhardtii se montre plus sensible; son taux de croissance exponentiel augmente avec l'intensité du cisaillement, alors que sa capacité porteuse semble être moins affectée. Un modèle logistique comportant deux paramètres de croissance, le taux de croissance exponentiel et la capacité porteuse, est proposé pour décrire la croissance avec le temps. En suivant une approche de systémiques dynamiques, il a été expérimentalement montré que le taux de croissance instantanée et le taux de croissance per capita tendent vers zéro et oscillent autour d'un point fixe stable où la densité de la population atteint la capacité maximale du système.Un autre aspect de ce travail est d'étudier la motilité des deux microorganismes au cours de leurs cycles de croissance lorsqu’ils sont soumis aux différents niveaux de contrainte de cisaillement. La vitesse moyenne de nage est déterminée pendant la croissance pour des différentes valeurs de cisaillement. Les résultats ont montré que la motilité de C. reinhardtii suit trois phases différentes; une phase ascendante qui commence au milieu de la phase exponentielle de croissance, une phase descendante et enfin une phase amortie au cours de la phase stationnaire de croissance. Il a été montré que l'agitation augmente l'amplitude de la vitesse moyenne de nage et qu’elle avance la motilité cellulaire. En outre, une intensité de cisaillement élevée a conduit à un amortissement plus rapide de la vitesse moyenne vers sa valeur finale en phase stationnaire de croissance. Pour Synechocystis, la motilité n'a pas suivi une tendance claire avec le temps. Cependant, il semble que la vitesse maximale se produit toujours au milieu de la phase exponentielle de croissance. === Under the current global energy crisis, the demand of energy production relying on renewable sources has become a global need. Biofuels offer a transition towards a world of renewable energy supply and production. The interests in developing a third generation of biofuels produced from microalgae and cyanobacteria have clearly increased. Thus, the design and construction of a convenient culturing system under optimal conditions is necessary to benefit from the energy content of these species. Photobioreactors (PBRs) offer a good control over culture conditions and growth.This work investigates the effects of shear stress, generated by stirring in agitated PBRs and bubbling in airlift PBRs, on the growth and motility of two species of microorganisms, the cyanobacterium Synechocystis and the microalgae Chlamydomonas reinhardtii. The results show that Synechocystis is highly resistant to shear stress; the variation in exponential growth rate is limited to the breakdown of cellular colonies, while the carrying capacity appears to increase as a function of shear stress up to a maximal value. On the other hand, C. reinhardtii shows to be more sensitive; the exponential growth rate increases with shear stress intensity, while the carrying capacity seems to be less affected. A logistic growth model featuring two growth parameters, the exponential growth rate and the carrying capacity, is proposed to describe the growth with time. From a point of view of dynamical system approach, it is experimentally shown that the population’s instantaneous growth rate and the growth rate per capita tends to zero and converges around a stable fixed point once the population’s density reaches the carrying capacity of the growth system.Another aspect of this work is studying the motility of the two microorganisms during their growth cycle when different levels of shear stress are applied on them. The average swimming velocity is determined as a function of growth cycle for different shear stress intensities. The results show that the motility of C. reinhardtii follows three different phases; a rising phase starting in the middle of the exponential growth phase, a decay phase and finally a damped phase during the stationary growth phase. It is shown that agitation increases the magnitude of the average velocity and advances the cellular motility. Besides, high intensity in the applied shear stress led to an increase in the damping of the average velocity implying a quicker decay to the limit value at the end of the growth. For Synechocystis, the average velocity did not follow a defined pattern with time. However, it seems that the peak of the velocity occurs always in the middle of exponential phase.