Les micro-algues sont des usines cellulaires qui

Extraction de composés d’intérêt issus des micro-algues par électroporation réversible de leur
membrane plasmique sur un dispositif microfluidique en vue de la réalisation d’un bioréacteur à
haut rendement
Les micro-algues sont une source de composés (protéines pour l’alimentation humaine et animale,
biocarburants, molécules à haute valeur ajoutée pour la cosmétique ou la santé…), dont on cherche à améliorer le
mode de production de manière à le rendre non seulement économiquement rentable mais aussi écologiquement
viable. Les micro-algues fonctionnent comme des usines cellulaires qui convertissent l’énergie lumineuse en
énergie chimique tout en consommant du dioxyde de carbone. Néanmoins, leur utilisation reste très prospective du
fait des faibles productivités des systèmes de culture, ainsi que le coût aussi bien énergétique qu’environnemental
des procédés d’extraction qui s’appuient généralement sur l’utilisation de solvants toxiques et coûteux.
Afin d’augmenter l’efficacité de l’extraction de molécules d’intérêt et de réduire le coût des méthodes
conventionnelles, nous souhaitons au travers de cette thèse mettre en œuvre une nouvelle alternative, basée sur
l’électroporation des membranes cytoplasmiques des micro-algues en vue de la réalisation d’un
bioréacteur intégrant ce principe.
Ainsi, cette thèse a pour cadre l’utilisation de pulses de champ électriques (PEFs) pour en étudier
les effets sur des microalgues (électroporation de la membrane, impact sur la paroi cellulaire) et les
mécanismes associés pour améliorer le rendement d’extraction de molécules d’intérêt et réduire en
conséquence l’utilisation de solvants. L’étude se fera tout d’abord à l’échelle cellulaire et en environnement
microfluidique de manière à suivre en temps réel et de manière contrôlée les mécanismes de l’électroporation et
d’extraction des molécules d’intérêt. Nous choisirons deux souches modèles: l’une produisant des lipides type
triglycérides pour la production de biodiesel et l’autre produisant un pigment d’intérêt.
Suite à la mise en culture des microalgues dans les conditions optimales pour la production des molécules
cibles, elles seront soumises à l’électroporation en système microfluidique. Les caractéristiques des pulses
(amplitude, durée, répétition, nature) seront modulées de manière à en optimiser les valeurs au regard des effets
associés sur les microalgues (perméabilisation, viabilité, mécanismes d’extraction induits) et tenant compte de
l’environnement de culture mais aussi d’extraction de molécules (caractéristiques des solvants biocompatibles,
milieu de culture, …) (Année 1 et 2). Dans une deuxième phase (Années 2 et 3), nous concevrons un dispositif
expérimental intégrant le bioréacteur et le procédé d’électroporation, à une échelle supérieure à celle qui a été
utilisée précédemment. Prenant en compte les résultats obtenus lors de l’étude des conditions optimales de culture
et d’électroporation, des études de culture de microalgues et d’électroporation seront menées. Pour caractériser la
performance de notre procédé intégré, nous déterminerons, notamment les taux d’extraction de molécules d’intérêt
ainsi que les productivités en biomasse/produits du système. Les recyclages de la biomasse et du solvant feront
l’objet de toute notre attention. Ces travaux permettront également d’établir un premier bilan énergétique,
environnemental et économique de ce type de procédé intégré.
L’ensemble des données expérimentales de cette thèse serviront à (1) proposer les conditions optimales
de productivité de biomasse et de métabolites, (2) mieux comprendre les mécanismes de production de molécules
d’intérêt par les microalgues et ceux de l’électroporation de ce type de cellule (3) valider l’intérêt de ce type de
système innovant, à vocation industrielle, de culture et d’extraction de molécules d’intérêt par des microalgues.
Ce travail de thèse sera effectué en co-tutelle entre deux laboratoires situés respectivement à l’Ecole
Centrale Paris et l’ENS de Cachan, dans le cadre de l’Institut d’Alembert :
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Laboratoire SATIE (ENS de Cachan): Spécialisé dans le domaine de l’interaction cellule/champs
électrique et de la microfluidique. C’est au sein de l’équipe Biomis que seront réalisées les puces
microfluidiques dédiées à l’étude de l’électroporation des micro-algues.
Laboratoire LGPM (ECP): L’équipe Bioprocédés du LGPM s’intéresse à la culture de microalgues pour
différentes applications : production de molécules d’intérêt, épuration des eaux usées, captation de CO 2.
Les travaux sont orientés in fine vers l’optimisation de procédés pilote en réponse à des problématiques
industrielles, la modélisation et la simulation. C’est au sein de cette équipe que seront réalisés les essais
d’optimisation des conditions de culture des micro-algues (intensité de lumière, température, photopériode,
concentration en azote, CO2) pour augmenter les productivités en biomasse, en lipides et en pigment, et
finalement le bioréacteur intégrant la fonction de perméabilisation cellulaire.
Encadrement :
- Directeur de thèse : Dominique Pareau, LGPM, ECP
- Co-Directeur de thèse : Bruno Pioufle, SATIE, ENS Cachan
- Co-encadrants : Filipa Lopes, LGPM, ECP, Olivier Français, SATIE, ENS Cachan
Profil du candidat :
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Issu(e) d’une école d’ingénieur généraliste ou équivalent, ayant de bonnes connaissances en
microbiologie et instrumentation.
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Laboratoire d’accueil : Laboratoire de Génie des Procédés et Matériaux de l’Ecole Centrale Paris et
Laboratoire SATIE de l’ENS/Cachan.
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Début de la thèse : septembre 2013
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Candidature : Envoyer un CV et une lettre de motivation aux adresses:
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
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Date limite de dépôt de candidature : 10 mai 2013