Extraction en voie humide de métabolites de microalgues

Les microalgues et les cyanobactéries représentent une bioressource végétale prometteuse dans la production de métabolites d’intérêt permettant d’atteindre les objectifs de développement durable définis par les Nations unies, en particulier le développement d’une alimentation sûre et saine, la production d’énergies renouvelables et la production industrielle durable (Objectifs de développement durable n° 2, 7, 9, 12). Ces microorganismes produisent par exemple des protéines contenant des acides aminés essentiels, des polysaccharides aux propriétés texturantes et antibactériennes, des lipides dont certains antioxydants, des pigments, des terpènes, etc. Plusieurs de ces molécules offrent aussi des perspectives très intéressantes en tant que molécules amphiphiles, émulsifiantes ou moussantes utiles par exemple en détergence. Toutes ces propriétés font des microalgues et des cyanobactéries de potentielles ressources pour de nombreux secteurs tels que la nutraceutique, la santé, l’alimentation animale, la biofertilisation, mais aussi la chimie verte, les biomatériaux ou les biocarburants.

La culture des microalgues et des cyanobactéries à l’échelle industrielle est déjà mature pour un certain nombre de souches telles que Arthrospira platensis (plus communément appelée spiruline), Chlorella vulgaris, ou Tetraselmis chui, avec des applications directes en alimentation humaine ou animale [CHV 4 030] [CHV 4 032]. Aujourd’hui, la recherche dans le domaine de la culture s’oriente par exemple vers la maîtrise du métabolisme dans les cultures à grande échelle pour améliorer la production de molécules d’intérêt telles que des protéines, des polysaccharides, des lipides (triglycérides), des pigments (caroténoïdes, phycobiliprotéines), etc., et l’intensification de la production, ainsi que la mise en œuvre dans un contexte d’écologie industrielle [CHV 4 036].

Le bioraffinage pour valoriser les différentes fractions des microalgues à l’issue de la récolte de la biomasse est également un défi et fait l’objet de travaux de recherche menés par de nombreuses équipes dans le monde depuis une quinzaine d’années. Le bioraffinage consiste non seulement à extraire une molécule cible, mais également à valoriser idéalement toutes les fractions de la biomasse. La prise en compte de l’ensemble de la biomasse est primordiale pour développer des filières durables de valorisation.

Différentes méthodes de conditionnement de la biomasse après récolte et avant extraction peuvent être considérées. D’une part, le séchage ou la lyophilisation permettent de s’affranchir de la présence de l’eau et peuvent faciliter l’extraction de composés hydrophobes. En revanche, les microalgues étant cultivées à des concentrations pour l’instant limitées dans de grands volumes de milieux de culture (1 à 10 g.L^–1 en matière sèche), le coût énergétique de ces étapes de déshydratation est exorbitant et peut grever le bilan énergétique et économique de la filière. De plus, ces procédés peuvent modifier la qualité du produit final (dégradation ou dénaturation de certains composés thermolabiles par exemple). Le traitement en voie humide, c’est-à-dire à partir de biomasse non déshydratée, permet de s’affranchir de ces étapes, mais engendre de nouvelles contraintes (stockage ou non de la biomasse, conservation, choix des procédés d’extraction et de séparation).

Dans cet article, nous nous concentrons sur les procédés d’extraction en voie humide de métabolites de microalgues et de cyanobactéries. Ces microorganismes peuvent excréter certaines molécules d’intérêt, permettant leur récupération dans le milieu de culture, mais une grande partie d’entre elles sont intracellulaires. Or la paroi cellulaire, souvent robuste, restreint l’accès à ces composés. C’est pourquoi une lyse cellulaire peut être nécessaire. La souche de microalgue considérée, le mode de culture, le choix du procédé de lyse cellulaire et la nature des composés cibles vont conditionner le choix des procédés de séparation qui suivent. L’objectif ici est non seulement de présenter à travers plusieurs exemples les différentes étapes nécessaires au bioraffinage des microalgues et des cyanobactéries, mais aussi de mettre en évidence la nécessité du couplage, voire de l’intégration, de toutes les étapes pour développer une filière optimale de valorisation de cette nouvelle bioressource.