Les interactions allélopathiques sont définies comme la libération par un organisme de composés chimiques inhibant les compétiteurs. Dans les milieux aquatiques, elles sont reconnues comme un facteur de la dynamique des communautés de phytoplancton. Malgré les conditions favorables créées par l'organisation des microorganismes en biofilms, l'allélopathie a été beaucoup moins étudiée dans les communautés de microorganismes phototrophes benthiques. L'objectif de cette thèse était d'étudier des interactions allélopathiques, au travers d'un cas particulier, entre les microorganismes dans les biofilms phototrophes d'eau douce. Ainsi le travail s'est focalisé sur les effets allélopathiques d'une algue verte filamenteuse, Uronema confervicolum Lagerheim, sur des diatomées benthiques. L'hypothèse principale est que, dans certaines conditions, U. confervicolum libère suffisamment de composés allélopathiques pour inhiber significativement le développement des diatomées épiphytes. Cette hypothèse soulève trois questions (i) quels sont les composés allélopathiques, (ii) leur production dépend-elle des conditions environnementales et (iii) quel est l'effet des composés allélopathiques produits sur les diatomées ? Cette interaction a été étudiée au travers de multiples approches. L'activité d'extraits de biomasse algale et de filtrat de culture a été testée sur la croissance, la photosynthèse, l'adhésion et la motilité des diatomées. Les techniques de fractionnement guidé par bioessais et de profilage métabolomique ont été utilisées pour identifier les composés allélopathiques produits. Les effets des facteurs environnementaux (limitations en nutriment, apports de lumière et de gaz) et de la phase de croissance sur la production et la libération de différents composés allélopathiques ont également été étudiés. Une étude approfondie de l'effet sur les diatomées des composés allélopathiques anti-adhésion a été réalisée en combinant le profilage métabolomique, la transcriptomique et la microscopie électronique à balayage. Les extraits d'U. confervicolum ont montré un effet négatif sur la croissance, la photosynthèse, l'adhésion et la motilité des diatomées. Deux acides gras polyinsaturés (acides linoléique et a-linolénique) ont été identifiés comme des composés allélopathiques inhibant la croissance et la photosynthèse des diatomées. L'inhibition de l'adhésion des diatomées est, par contre, causée par d'autres composés allélopathiques non identifiés. L'augmentation de l'intensité lumineuse a accru la production de composés allélopathiques, à l'instar des composés défensifs des plantes. Cependant, aucune des théories classiques sur les défenses chimiques des plantes n'a permis d'expliquer l'ensemble des résultats obtenus sur les questions de régulation. En plus de l'inhibition de l'adhésion, le filtrat d'U. confervicolum inhibe la formation de la matrice constituée de substances polymériques extracellulaires, impacte le métabolisme énergétique et induit une modification globale du transcriptome et du métabolome des diatomées. Une partie des gènes et métabolites les plus fortement impliqués dans la réponse des diatomées à l'inhibition de l'adhésion ont été identifiés. Ce travail a permis de mieux évaluer l'activité allélopathique de l'algue verte filamenteuse U. confervicolum et son impact potentiel sur la structure et le fonctionnement des biofilms phototrophes. D'autres approches seront nécessaires, à l'avenir, pour mieux comprendre le rôle global de l'allélopathie dans des biofilms phototrophes complexes. / Allelopathic interactions are defined as the release, by an organism, of chemicals that inhibit competitors. In aquatic environments, they are recognised as a driver of phytoplankton community dynamics. Despite the favourable conditions created by the organisation of microorganisms in biofilms, allelopathy has been much less studied in benthic phototrophic microorganism communities. The objective of this thesis was to increase our comprehension of allelopathic interactions amongst phototrophic microorganisms in biofilms by analysing several aspects of a specific allelopathic interaction. The model chosen was the allelopathic effect of Uronema confervicolum Lagerheim, a filamentous green alga isolated from river biofilms, on diatoms from the same environment. The main hypothesis was that, at least in specific environmental conditions, U. confervicolum produce and release sufficiently large amounts of allelopathic compounds to inhibit significantly the development of epiphytic diatoms. Three questions arised from this hypothesis: (i) what are the allelopathic compounds implied, (ii) do their production and release depend on environmental factors and (iii) what is the effect of these compounds on epiphytic diatoms? This interaction has been studied using multiple approaches. Activity of algal biomass extracts and culture filtrates have been tested on diatom growth, photosynthesis, adhesion and motility. Bioassay-guided fractionation and metabolomic profiling have been used to identify the allelopathic compounds produced. The effect of environmental factors (nutrient limitation, light and gas supply) and growth phase on the production and release of the different allelopathic compounds have also been studied. In-depth study of the effect of anti-adhesion allelochemicals on diatom by combining metabolomic profiling, transcriptomics and scanning electron microscopy have been carried out. The extracts of U. confervicolum exhibited negative effects on diatoms growth, photosynthesis, adhesion and motility in bioassays. Two polyunsaturated fatty acids (linoleic and a-linolenic acids) have been identified as allelopathic compounds affecting growth and photosynthesis but not adhesion ability of diatoms. The inhibition of diatom adhesion was caused by other allelopathic compounds, unidentified so far. Increasing light intensity enhanced the production of U. confervicolum allelopathic compounds as predicted by plant defence theories, but the regulation of allelopathic activity was not completely explainable by any classic plant defence theory. Finally, beside an inhibition of diatom adhesion U. confervicolum filtrate was also found to inhibit the formation of diatom extracellular polymeric substances matrix, affect energy metabolism and induce global modification of diatom transcriptome and metabolome. Some of the genes and metabolites implied in the response of diatoms to adhesion inhibition have been identified. These results indicate the strong potential of the filamentous green alga U. confervicolum to impact biofilm community by its allelopathic activity. Results on the allelopathic activity of this alga and the effect on diatoms in laboratory experiments provide the basis for further experiments to access the role of allelopathy in complex biofilms. These findings will encourage researchers working on biofilms to consider allelopathy when phototrophic biofilm ecology is studied.

Le développement d'un procédé intégré et simplifié de bioraffinerie capable de produire une large gamme de molécules d'intérêt est crucial pour la commercialisation des microalgues. L'objectif de cette étude était de simplifier le processus de valorisation des microalgues en optimisant la sélectivité de l'extraction tout en respectant les principes de l'écoconception. Dans un premier temps, les travaux se sont focalisés sur la récupération sélective de lipides neutres sans désintégration préalable des cellules par extraction au CO2 supercritique de microalgueslyophilisées. Les résultats ont montré que près de 97% des lipides neutres de Chlorella vulgaris ont été extraits. Pour Nannochloropsis oculata, les lipides neutres représentaient la majorité de l’extrait (83%), tandis que la proportion de glycolipides et de phospholipides ne dépassait pas 12,1% et 5,3% respectivement. Après la récupération de la fraction lipophile par extraction supercritique, 67% des protéines totales ont été libérées par une double extraction aqueuse. En outre, plus que 84% des protéines, exemptes de pigments ont été obtenues, en utilisantl’ultrafiltration semi-frontale. Ensuite, en utilisant des microalgues humides, un procédé d'extraction assistée par ultrasons à basse fréquence a été étudié pour la récupération des protéines. Les résultats sur Chlorella vulgaris ont montré que presque toute la teneur en protéines (97%) était libérée dans la phase aqueuse, permettant une extraction hautement sélective tout en conservant l’intégrité cellulaire. En revanche, la totalité des protéines a été co-extraite avec des impuretés à partir de cellules de Spirulina sp. entièrement désintégrées. Ainsi, pour la clarification des protéines, un procédé d'ultrafiltration semi-frontale a conduit à 67% des protéines totales obtenues dans le perméat. En outre, jusqu'à 95% de phycocyanine ont été retenus avec d'autres impuretés comme les résidus et les pigments. Les essais montrent l’intérêt de l’extraction sélective des molécules, mais que l’efficacité du procédé dépend de la structure des cellules. Des travaux complémentaires devraient encore être réalisés pour mieux comprendre les mécanismes impliqués dans la libération des molécules. / The development of an integrated and simplified biorefinery process able to produce a wide range of multiple molecules of interest is crucial for the commercialization of microalgae. The objective of this study was to simplify the downstream processes of microalgae valorization by optimizing the selectivity of extraction while respecting the principles of ecodesign. On the one hand, using dry microalgae, supercritical CO2 extraction was carried out for selective recovery of neutral lipids without cell disruption pretreatment. Results showed that up to 97% of neutral lipids from Chlorella vulgaris were extracted. Neutral lipids from Nannochloropsis oculata represented most of the extracts (83%), whereas the proportion of glycolipids and phospholipids did not exceed 12.1% and 5.3%, respectively. Following the lipophilic recovery via supercritical extraction, 67 % of total proteins were released using double stage aqueous extraction. Moreover, up to 84% of the extracted proteins free from pigments were obtained using semi-frontal ultrafiltration. On the other hand, a green ultrasound assisted extraction process using water as solvent was performed on wet microalgae for protein recovery at low frequency (12 kHz). Results of Chlorella vulgaris showed that almost all the protein content (97%) was released in the aqueous medium allowing a highly selective extraction while microalgae cells remained intact. In contrary, total protein content were co-extracted with impurities from totally disintegrated Spirulina sp. Thus, for protein clarification, quasi-frontal ultrafiltration process was carried out leading to 67% of total proteins obtained in the permeate. Furthermore, up to 95% of phycocyanine were retained with other impurities like residues and pigments. Since selective extraction of all the molecules of interest in microalgae biomass remains a challenge, additional research must be conducted to alleviate the downstreamprocess.

L'utilisation des microalgues dans le traitement des eaux usées est de plus en plus étudiée pour intégrer/remplacer les systèmes de traitement actuels permettant d'éliminer les nutriments et autres polluants. Cependant, l’utilisation des microalgues dans le traitement des eaux usées en est principalement au stade de la recherche, par exemple faible élimination des nutriments et croissance de la biomasse des microalgues. Le but de cette thèse était de permettre une élimination efficace des éléments nutritifs et de la matière organique des eaux usées par les microalgues tout en favorisant la production de biomasse de microalgues. C. vulgaris et S. acuminatus ont été cultivés dans des photobioréacteurs discontinus avec des digestats issus de la digestion anaérobie (AD) de boues biologiques de boue de vidange provenant d’une station d’épuration municipale (ADMW) et d’une usine de traitement des eaux usées d’une usine de pâtes et papiers (ADPP). Les rendements d’élimination de l’ammonium étaient supérieurs à 97% lorsque les deux microalgues étaient cultivées séparément dans de l’ADPP. Toutefois, 24 et 44% de l’ammonium ont été retirés de l’ADMW par C. vulgaris et S. acuminatus, respectivement. Les deux microalgues ont efficacement éliminé le phosphate (> 96%), tandis que la couleur (74–80%) et la DCO soluble (27–39%) ont été partiellement éliminées de ADMW et d'ADPP. La plus forte concentration de biomasse de S. acuminatus (7,8 à 10,8 g L-1 VSS) dans l'ADPP figure parmi les rendements les plus élevés signalés pour les microalgues dans les eaux usées réelles. Des rendements de biomasse supérieurs de S. acuminatus ont été obtenus dans de l'ADPP thermophile (10,2 ± 2,2 et 10,8 ± 1,2 g L-1) par rapport à de l'ADPP mésophile prétraité (7,8 ± 0,3 g L-1). En outre, les concentrations les plus élevées en biomasse et en méthane de microalgues ont été obtenues dans le même système intégré de culture de AD et de microalgues. Les concentrations de fer (0,1, 1,0 et 1,9 mg L-1) et de sulfure de soufre (3,7, 20 et 35,8 mg L-1) affectaient davantage l'efficacité de l'élimination de l'azote et la concentration de la biomasse de microalgues davantage dans les ammonium probablement dû à différents mécanismes d'assimilation de microalgues. Dans cette étude, le milieu contenant du nitrate comme source d'azote avec 1,0 mg de L-1 de fer et 35,8 mg de L-1 de sulfate et de soufre a permis d'obtenir la plus forte concentration de biomasse de microalgues. L'effet de la concentration en fer sur l'efficacité d'élimination des nitrates et la croissance des microalgues était plus significatif que la concentration en sulfate, alors que l'effet d'interaction entre le sulfate et le fer n'était pas observé. L'efficacité moyenne d'élimination de l'ammonium (14 à 30%) et la concentration en biomasse de microalgues (0,55 à 1,17 g de POC L-1) dans un photobioréacteur à membrane à flux continu ont été améliorées par addition de zéolite (0,5 g L-1). La zéolite fournissait probablement un habitat pour la croissance attachée de microalgues et une grande disponibilité d'ammonium pour la croissance à la surface de la zéolite en raison de l'adsorption d'ammonium par la zéolite. Une augmentation supplémentaire de la concentration en zéolite (de 0,5 à 1 et 5 g L-1) n’a pas amélioré l’efficacité de l’élimination de l’ammonium ni la concentration de la biomasse, probablement en raison de la turbidité accrue de la solution provoquée par la fragmentation de la zéolite ajoutée en particules plus fines, ce qui a réduit la disponibilité de lumière. Ces travaux ont montré la possibilité d'utiliser des microalgues dans le traitement des eaux usées pour éliminer efficacement les nutriments et les matières organiques, tout en favorisant la croissance des microalgues. La sélection d'espèces de microalgues adaptées aux eaux usées spécifiques pour éliminer les nutriments et les matières organiques est essentielle pour promouvoir les applications de traitement des eaux usées à base d'algues / Use of microalgae in wastewater treatment has been increasingly studied to integrate with or replace the present treatment systems for removal of nutrients and other pollu-tants. The potential advantages of this integration (wastewater treatment and microalgal cultivation) could be simultaneous recovery of nitrogen and phosphorus and the use of produced microalgal biomass as feedstock for e.g. biofuel, fertilizer and/or energy. However, the use of microalgae in wastewater treatment is mainly in research stage due to e.g. low nutrient removal and microalgal biomass growth. The aim of this thesis was to enable efficient nutrient and organic matter removal from wastewaters by mi-croalgae while promoting microalgal biomass production. Chlorella vulgaris and Scenedesmus acuminatus were successfully grown in batch photobioreactors with liquid digestates from anaerobic digestion (AD) of biosludge from a municipal wastewater treatment plant (ADMW) and a pulp and paper mill wastewater treatment plant (ADPP). The final ammonium removal efficiencies were above 97% when cultivating both microalgae separately in ADPP, however, only 24% and 44% of ammonium were removed from ADMW by C. vulgaris and S. acuminatus, respectively. Both microalgae efficiently removed phosphate (>96%), while color (74–80%) and sol-uble COD (27–39%) were partially removed from ADMW and ADPP. The obtained highest S. acuminatus biomass concentration (7.8–10.8 g L-1 VSS) in ADPP is among the highest yields reported for microalgae in real wastewaters. Higher S. acuminatus biomass yields were obtained in thermophilic ADPP (without and with pretreatment prior to AD: 10.2±2.2 and 10.8±1.2 g L-1, respectively) than in pretreated mesophilic ADPP (7.8±0.3 g L-1). In addition, the highest microalgal biomass concentration and methane yields were obtained in the same integrated AD and microalgal culti-vation system (thermophilic AD with pretreatment).The iron (0.1, 1.0, and 1.9 mg L-1) and sulfate-sulfur (3.7, 20, and 35.8 mg L-1) concen-trations were found to affect nitrogen removal efficiency and microalgal biomass con-centration more in the media with nitrate than with ammonium, probably due to different microalgal assimilation mechanisms for nitrate and ammonium. In this study, synthetic medium with nitrate as nitrogen source with 1.0 mg L-1 iron and 35.8 mg L-1 sulfate-sulfur enabled the highest microalgal biomass concentration. The effect of iron concentration on nitrate removal efficiency and microalgal growth was more significant than that of sulfate concentration, while the interaction effect between sulfate and iron was not observed. The average ammonium removal efficiency (14 to 30%) and microalgal biomass con-centration (0.55 to 1.17 g particulate organic carbon per L) in continuous-flow mem-brane photobioreactor were promoted by adding a low concentration of zeolite (0.5 g L-1). The zeolite likely provided a habitat for attached growth of microalgae and high availability of ammonium for growth on the surface of the zeolite due to ammonium adsorption to zeolite. Further increase in zeolite concentration (from 0.5 to 1 and 5 g L-1) did not improve ammonium removal efficiency or biomass concentration. This was likely due to the increased solution turbidity caused by breaking apart of added zeolite particles into finer particles, which reduced light availability.In summary, this work showed the possibility of utilizing microalgae in wastewater treatment to efficiently remove nutrients and organic matter, and simultaneously pro-mote microalgal growth. Selecting suitable microalgal species for the specific wastewater to remove nutrients and organic matter is essential to promote algae-based wastewater treatment applications

Les microalgues, de par leur diversité, peuvent offrir une multiplicité de molécules bio-sourcées pour des applications variées (alimentation, énergie, santé etc…). Cependant, la production de biodiesel à partir de microalgues, désignée comme la 3e génération de biocarburant, nécessite encore une optimisation lors de l’étape de culture de la biomasse ou lors de l’extraction de l’huile pour que le procédé soit énergétiquement viable. Parmi les voies d’amélioration, l’application de champs électriques pulsés (PEF) en prétraitement à la biomasse pourrait améliorer la rentabilité énergétique du procédé d’extraction de lipides. Ce procédé appliqué aux microalgues est étudié dans le contexte d’une collaboration entre le laboratoire SATIE de l’ENS Cachan Paris Saclay et le laboratoire LGPM de Paris Saclay.Un microsystème d’électroporation a été conçu afin d’étudier in situ l’impact des champs électriques pulsés sur les cellules de microalgue, Chlamydomonas reinhardtii chargées en lipides. Parmi les principaux résultats du projet, l’étude énergétique du procédé a montré que les impulsions de très courte durée (5 µs) sont les moins énergivores. Associées à un champ électrique de 4.5 kV/cm, ces impulsions entrainent une perméabilisation réversible (80 % de cellules atteintes) de quelques secondes tandis qu’un champ de 7 kV/cm entraine un effet irréversible. Après ce prétraitement, les algues sont ensuite mélangées à de l’hexane afin d’évaluer si les lipides sont extraits plus facilement de la cellule. / Microalgae offer a multiplicity of applications for the production of bio-sourced compounds such as proteins, pigments, sugars and oils. However, the energy spent for algae culture and lipid extraction hinder the energetic viability of the process for the production of biofuel derived from algae oils. Among possible improvements, pulsed electric fields (PEF) may be used as a pre-treatment to extract valuable compounds from microalgae and making the process less energy demanding.This project started with a collaboration between the team of bio-micro-systems Biomis, laboratory SATIE, with the team of bio-process engineering laboratory LGPM to study in situ the effects of PEF on microalgae.First, a energetic study is performed in a micro-system specially built for this project to characterize in situ, the effect of various treatment parameters (pulse duration / electric field) on Chlamydomonas reinhardtii cells with high lipid content.Among the outputs of this study, an energetic optimization of PEF conditions shows that a high level of permeability and low energy consumption are obtained when using short pulses of 5 µs. Associated with an electric field of 4.5 kV/cm, the pores are reversible (80% of the cells) during few seconds, and with a field of 7 kV/cm or higher, the permeabilization is irreversible. Afterwards, this PEFpre-treatment is associated with solvent mixing (hexane) to evaluate if lipid extraction is improved.

Le projet de maîtrise vise à contribuer au développement durable de l'aquaculture en replaçant l'huile de poisson à 75 % par de l'huile végétale (soya, canola, mélange de canola et d'algues) dans la moulée de salmonidés. De plus, les ratios protéines digestibles/énergie digestible (PD/ED) ont été modifiés pour minimiser l'utilisation de sous-produits de poissons sauvages. Contrairement à l'huile de poisson qui est dispendieuse et contient des polluants organiques persistants (POPs), nous prévoyons que l'huile végétale permettra de réduire les coûts de production et l'exposition aux contaminants pour les poissons et pour les consommateurs. De plus, elle ne modifiera pas les propriétés sensorielles des filets et sera hautement digestible pour la truite arc-en-ciel (Oncorhynchus mykiss). Enfin, l'huile de canola, avec ou sans Schizochytrium sp., permettra de remplacer l'huilé de poisson sans affecter la qualité des filets, suite à une courte période de finition pour restaurer les niveaux bénéfiques d'acides gras essentiels. / The Master's degree project seeks to contribute to the development of sustainable aquaculture. A high percentage of fish oil (75 %) was replaced by vegetable oils (soybean, canola and a blend of canola and algae) and digestible protein/digestible energy (DP/DE) levels were modified to minimize the utilisation of wild fish by-products. Unlike fish oil, vegetable oils are less expensive and do not accumulate persistent organic pollutants (POPs), so we predict that production costs can be lowered with vegetable oil-based diets, as well as contaminant exposure for fish and consumers. Additionally, these feeds will not alter organoleptic properties of the fillets and will be highly digestible for rainbow trout {Oncorhynchus mykiss). Furthermore we expect that canola oil, with or without Schizochytrium sp., can effectively replace fish oil without altering the quality of the fillets, after a short finishing period to restore beneficial fatty acid levels.

La région maritime du Nunavik, composé de l’est de la baie d’Hudson, du détroit d’Hudson et de la baie d’Ungava, est d’une importance capitale pour les populations Inuit qui y vivent grâce à son apport substantiel en nourriture et matériaux, en plus de permettre un passage des traditions et une cohésion sociale dans la communauté. Les Inuit consomment surtout du poisson et des mammifères marins comme le phoque et le béluga, des espèces particulièrement riches en composés essentiels comme les acides gras polyinsaturés et les pigments caroténoïdes, qui sont synthétisés par les microalgues à la base de la chaîne alimentaire marine. Cependant, les qualités nutritives de ces organismes sont susceptibles d’être altérées par la transformation rapide de l’environnement arctique. Ce projet avait pour but d’évaluer l’influence des paramètres physico-chimiques de l’eau sur la composition taxonomique et les qualités nutritives des microalgues marines au Nunavik pendant l’été en 2017 et en 2018. Les résultats ont révélé de forts contrastes entre les régions maritimes quant aux paramètres physico-chimiques; les eaux de la Baie d’Hudson était relativement chaudes, peu salées et peu alcalines, alors que celles du détroit d’Hudson et la baie d’Ungava étaient plutôt froides, salées et alcalines par comparaison. La composition taxonomique des communautés était très différente entre les deux années, avec une dominance de diatomées en 2017 et une transition vers une communauté comportant une proportion accrue de flagellés en 2018. Les contenus en pigments caroténoïdes étaient influencés négativement par la température, le pH ainsi que la contribution des flagellés à la communauté, mais étaient positivement influencés par la salinité et la contribution des diatomées. Le contenu en acide eicosapentaénoïque (EPA),un acide gras essentiel, était plutôt corrélé positivement à la salinité, au pH et à la contribution des diatomées, mais négativement à la température et à la contribution des flagellés. La température, la salinité et le pH ont aussi montré de fortes corrélations avec les proportions de diatomées et de flagellés, mettant en évidence une juxtaposition d’effets directs (via une réponse physiologique des microalgues) et indirects (liés à la composition des communautés) de l’environnement changeant de l’Arctique sur les propriétés nutritives des microalgues marines

Les effets de pesticides sur les communautés algales et bactériennes d'un cours d'eau ont été appréciés en couplant des approches in situ, menée au cours de deux années, à des approches expérimentales en microcosmes, réalisées avec le diuron et le glyphosate (10 μg l-1). La prédominance des herbicides affecte la biomasse et la diversité algale et induit une sélection prononcée dans la rivière où quatre genres majoritaires sont recensés. La sensibilité des communautés algales à un même pesticide varie suivant leur état physiologique et leur composition taxonomique. L'impact des herbicides sur le compartiment bactérien au niveau quantitatif (sur la densité, la production hétérotrophe et l'activité respiratoire) et qualitatif (diversité génétique), est majoritairement induit par des effets indirects. Il est plus perceptible dans les dispositifs expérimentaux où les bactéries ne peuvent bénéficier d'apports organiques allochtones et sont fortement tributaires de la production algale.

Les champs électriques pulsés (CEP) offrent un réel intérêt dans le cadre de la traite des microalgues. En effet, ils permettent l'extraction sélective des composés hydrosolubles ou l'utilisation de solvants biocompatibles pour récolter les molécules hydrophobes. La viabilité des microalgues peut ainsi être conservée. L'objectif de ce travail de thèse est de définir des conditions de traitement permettant à la fois l'extraction des composés d'intérêt et le maintien de la viabilité des microalgues. Le modèle d'étude est la microalgue verte Haematococcus pluvialis. Au stade végétatif, celle-ci contient près d'un tiers de son poids de matière sèche en protéines et en conditions stressantes, elle accumule de l'astaxanthine, un caroténoïde à haute valeur ajoutée.L'application de CEP de 1 kV.cm-1 permet de collecter 50 % des protéines extractibles par broyage avec des microbilles. La mesure de cinq paramètres biologiques suite à ce traitement a mis en évidence que les cellules retrouvaient un état physiologique comparable à celui de microalgues non traitées au bout de 72 h. Cette condition de traitement constitue donc un bon compromis entre l'extraction des protéines et la survie des microalgues, ce qui renforce la faisabilité d'une traite de microalgues par CEP.Dans le cadre de l'extraction de l'astaxanthine, la paroi très résistante des kystes constitue le principal verrou à lever. Une optimisation des conditions de traitement (en particulier de la force des impulsions) et du stade cellulaire traité représentent les deux principales perspectives à étudier pour que l'utilisation des CEP dans le cadre de l'extraction de l'astaxanthine soit pertinente. / Pulsed electric fields (PEF) offer a real interest for microalgae milking. Indeed, they allow the selective extraction of water-soluble compounds or the use of biocompatible solvents to harvest the hydrophobic molecules. The viability of microalgae can thus be maintained. The aim of this PhD thesis work is to define the treatment conditions allowing both the extraction of compounds of interest and the maintenance of the microalgae viability. The biological model is the green microalga Haematococcus pluvialis. At the vegetative stage, it contains nearly one third of its dry matter weight in proteins and under stressful conditions, it accumulates astaxanthin, a high added value carotenoid.The application of PEF of 1 kV.cm-1 allows to collect 50% of the proteins extractable by bead milling. The measurement of five biological parameters highlights that treated cells recover a physiological state comparable to that of untreated microalgae after 72h. This treatment condition constitutes therefore a good compromise between the protein extraction and the survival of the microalgae, which reinforces the feasibility of microalgae milking by PEF.Within the context of astaxanthin extraction, the high resistance of the cell wall of the cysts constitutes the main limitation. Optimization of the treatment conditions (particularly pulse strength) and the cellular stage to treat represent the two main perspectives to study for the use of PEF for astaxanthin extraction to be relevant.

Cette thèse porte sur la commande d'un photobioréacteur continu pour la culture des microalgues. La modélisation du système et l'identification des paramètres du modèle ont été particulièrement abordées. Les paramètres cinétiques et de transfert de l'énergie lumineuse ont été obtenus à partir des données acquises le long de la phase exponentielle de la culture de Porphyridium purpureum en mode batch sous différentes conditions expérimentales dans un photobioréacteur de 2,5 litres. La concentration en biomasse est la quantité physique la plus importante à réguler. Puisque elle n'est pas toujours facile à mesurer en ligne, un capteur logiciel permettant d'estimer la quantité de biomasse produite à partir des mesures en ligne est proposé. Il s'agit d'un filtre de Kalman étendu (EKF) qui combine le modèle du système avec la mesure de la concentration du carbone inorganique total et d'autres variables physiques (pH, intensité lumineuse,...) afin d'estimer en ligne la concentration de la biomasse. Ce capteur logiciel a été validé expérimentalement en utilisant un nouveau photobioréacteur de 9,6 litres de type colonne à bulles, équipé de plusieurs dispositifs destinés à mettre en place un système de commande et de régulation, et de techniques de mesure permettant d'accéder à l'évolution des principales variables. Plusieurs démarches pour la commande de la culture de microalgues ont été également proposées : commande non-linéaire et linéaire, régulation par PID, commande par modèle générique GMC, commande linéarisante par retour d'état et commande prédictive non-linéaire. Ces différentes commandes ont été mises oeuvre en simulation ce qui nous a permis de choisir les stratégies les plus performantes et de les valider sur le photobioréacteur instrumenté.

Les microalgues sont des organismes photosynthétiques considérés pour la production d'énergie. Les photobioréacteurs sont des systèmes fermés avec des productivités plus importantes que les bassins ouverts. Cette étude concerne l'expérimentation et la modélisation d'un réacteur du type " airlift à circulation interne". Des microparticules sont ajoutées pour modéliser les concentrations d'algues dans le réacteur. Les fractions du gaz et les vitesses du liquide ne sont pas affectées par la présence de microparticules. La distribution de la lumière dans le réacteur est calculée en considérant les concentrations de la biomasse et les propriétés optiques des algues. La lumière est atténuée de la paroi jusqu'au centre du réacteur et cette atténuation augmente avec la concentration de la biomasse. Les productivités de biomasse, estimées en utilisant deux modèles biologiques, montrent que celles obtenues dans les photobioréacteurs sont plus élevées que celles obtenues dans les bassins ouverts. La capacité du réacteur pour absorber du CO2 et produire de l'O2 est évaluée selon les productivités obtenues. A intensités lumineuses modérées, l'O2 dissout n'atteint pas le niveau d'intoxication, même pour de faibles débits d'air. Le CO2 et le CIT deviennent limitant si de l'air naturel est injecté dans le bioréacteur. Il est donc nécessaire d'injecter de l'air enrichi en CO2. L'hydrodynamique d'un réacteur airlift hélicoïdal est également présentée. Deux diamètres de tuyaux sont testés dans la section hélicoïdale. Une corrélation est proposée pour estimer le coefficient de frottement en fonction du Reynolds et le rapport entre le diamètre d'enroulement et le diamètre de tuyau. Pour réaliser la culture de microalgues à l'échelle industrielle, il est indispensable d'obtenir un bilan énergétique positif et de faibles émissions de GES. Pour cela, il faudra intégrer la culture dans des procédés de transformation tels que la production de biodiesel et la digestion anaérobique.