Biophysique de la flottation des microalgues – FLOTALG

Dans un premier temps, l'analyse de la paroi de la microalgue verte Chlorella vulgaris par XPS et chromatographie liquide a montré la présence d'un polymère de chitine à la surface des cellules. Sur cette base, compte tenu de la capacité des polysaccharides à former des interactions homotypiques, le chitosan a été identifié comme une molécule pouvant permettre l'adhésion cellulaire. Pour le confirmer, nous avons réalisé des expériences de microscopie à force atomique (AFM) pour mesurer les interactions entre les cellules de C. vulgaris et le chitosan au niveau moléculaire. Les résultats ont montré que le chitosan interagit avec la paroi cellulaire via des interactions biologiques spécifiques dépendant du pH, confirmant son potentiel à rendre les bulles adhésives aux cellules. Afin de l'utiliser pour modifier la surface des bulles, nous avons ajouté une fonction hydrophobe au chitosan et mesuré les interactions entre les bulles fonctionnalisées et les cellules, en utilisant une méthode couplant AFM et microfluidique développée dans notre équipe. Ces résultats ont montré que le chitosan amphiphile fonctionnalisé à la surface des bulles adhère aux cellules avec une force 10 fois supérieure à celle obtenue pour le chitosan. Enfin, des expériences de flottation réalisées sur des suspensions de microalgues confirment ce résultat, montrant que l'efficacité de la récolte avec des bulles fonctionnalisées augmente significativement (+40%) par rapport à l'utilisation de bulles nues.

Résultats majeurs:

- Nouvelles connaissances sur la composition et l'architecture de la paroi cellulaire de C. vulgaris, une espèce de microalgue verte largement utilisée pour la production de biocarburants (Demir-Yilmaz et al., Algal Research, 2023)

- Compréhension des mécanismes moléculaires impliqués dans les interactions entre le chitosan et la paroi cellulaire de C. vulgaris grâce à des expériences de microscopie à force atomique (Demir et al., ACS Applied BioMaterials, 2023)

- Développement d'une nouvelle méthode pour sonder les interactions entre les bulles de taille microscopique et les cellules au niveau moléculaire, basée sur la technologie FluidFM, une combinaison de l'AFM et de la microfluidique (Demir et al., Journal of Colloid and Interface Science, 2021)

- Développement d'un procédé de flottation original avec des bulles fonctionnalisées par du chitosan, efficace pour récolter les cellules de C. vulgaris (Demir-Yilmaz et al., Chmical Engineering Journal, 2023)

Ce projet a permis de faire la démonstration que des bulles utilisées dans les procédés de flottation peuvent être fonctionnalisées, ce qui permet un meilleur attachement aux cellules et ainsi une meilleure séparation. La prochaine étape sera de fonctionnaliser les bulles avec une molécule qui permettra une interaction spécifique avec un type de cellules, permettant alors de les trier et de les séparer d’un milieu complexe contenant différents types cellules, comme les cultures mixtes ou cultures en consortium.

1. Demir-Yilmaz I, Schiavone M, Esvan J, Guiraud P, Formosa-Dague C† (2023) Combining AFM, XPS and chemical hydrolysis to understand the complexity and dynamics of C. vulgaris cell wall composition and architecture, Algal Res, 72, 103102. †corresponding author

2. Demir-Yilmaz I, Ftouhi MS, Balayssac S, Guiraud P, Coudret C, Formosa-Dague C† (2023) Bubble functionalization in flotation process improve microalgae harvesting, Chem Eng J, 452, 139349. †corresponding author

3. Demir-Yilmaz I, Guiraud P, Formosa-Dague C† (2021) The contribution of Atomic Force Microscopy (AFM) in microalgae studies: a review, Algal Res, 60:102506. †corresponding author

4. Demir I, Lüchtefeld I, Lemen C, Dague E, Guiraud P, Zambelli T, Formosa-Dague C† (2021) Probing the interactions between air bubbles and (bio)-interfaces at the molecular scale using FluidFM technology, J Colloid Interface Sci, 604:785-797. †corresponding author

5. Laifa R, Morchain J, Barna L, Guiraud P (2021) A numerical framework to predict the performances of a tubular photobioreactor from operating and sunlight conditions, Algal Res, 60:102550.

6. Demir I, Blockx J, Dague E, Guiraud P, Thielemans W, Muylaert K, Formosa-Dague C† (2020) Nanoscale evidences unravel microalgae flocculation mechanism induced by chitosan, ACS Appl Bio Mater, 3(12):8446-8459. †corresponding author

7. Demir I, Besson A, Guiraud P, Formosa-Dague C† (2020) Towards a better understanding of microalgae natural flocculation mechanisms to enhance flotation harvesting efficiency, Water Sci Technol, 82(6):1009-1024. †corresponding author

8. Vergnes JB, Gernigon V, Guiraud P, Formosa-Dague C† (2019) Bicarbonate concentration induces production of exopolysaccharides by Arthrospira platensis that mediate bio-flocculation and enhance flotation harvesting efficiency, ACS Sustain Chem Eng, 7(16):13796-13804. †corresponding author

Dans le contexte du changement climatique et des besoins énergétiques croissants de la population mondiale, l'intérêt mondial pour des sources durables de production d'énergie augmente. Les microalgues constituent une ressource prometteuse pour la production de biocarburants, bien que leur utilisation industrielle soit limitée par l'absence de techniques de récolte efficaces. Dans ce contexte, la flottation assistée représente une technique de récolte prometteuse qui consiste en la capture des cellules par des bulles en ascension à travers la suspension de culture. La flottation est donc une opération relativement rapide qui nécessite peu d'espace, dont les coûts d'exploitation sont modérés, et qui pourrait donc permettre de surmonter les verrous liés à la production de biocarburants. Cependant, l'efficacité de cette méthode est limitée par le fait que l'interaction entre les bulles et les cellules est généralement répulsive, en raison de la charge de surface négative des cellules et des bulles dans l'eau et de la faible hydrophobicité des microalgues. Le but de ce projet est d'améliorer l'efficacité de la flottation, afin d'exploiter le potentiel de la bioressource des microalgues. Des connaissances fondamentales seront acquises à l'échelle moléculaire et cellulaire sur la paroi cellulaire des microalgues et sur ses mécanismes d’adhésion à des interfaces gaz/liquide, grâce à des techniques avancées de spectroscopie de force telles que les pinces optiques et la technologie FluidFM. Ces données seront utilisées pour identifier des composants adhésifs à l'interface cellulaire, et les fonctionnaliser à la surface de bulles, améliorant ainsi l'efficacité de la flottation. Enfin, l'évaluation globale de l'efficacité des bulles fonctionnalisées pour la flottation des microalgues sera évaluée et comparée à d'autres techniques de récolte. Les résultats obtenus dans ce projet permettront de générer des connaissances fondamentales sur la paroi cellulaire des microalgues et sur les mécanismes moléculaires sous-jacents à leur adhésion aux interfaces gaz-liquide. Mais ce ne sont pas les seuls bénéfices de ce projet, qui fournira également une nouvelle solution technologique pour mesurer les interactions entre des interfaces fluides et biologiques, ainsi qu'un moyen d'augmenter l'efficacité du processus de flottation. Comprendre la biophysique de la flottation des microalgues ouvrira de nouvelles possibilités pour transformer cette biomasse en carburants de 3ème génération.