La spiruline (Arthrospira platensis) est une microalgue bleu-vert, très appréciée pour son profil nutritionnel et ses applications biotechnologiques potentielles. C’est une source de richesse nutraceutique formidable, encore aux prémices de son optimisation. Sa culture dans des photo bioréacteurs permet un meilleur contrôle du milieu de culture. L’utilisation de photo bioréacteurs en plastique transparent équipés de lumières LED permet d’optimiser les conditions de croissance de la spiruline. Cependant, la culture nécessite une expertise, un savoir-faire et des connaissances pointues pour en extraire le meilleur.
Choix du photo bioréacteur pour la culture de la spiruline
Tout d’abord il convient de choisir le matériau du PBR.
Polyéthylène (PE) : matériau bon marché, largement disponible et résistant aux rayons UV. Le PE est relativement durable, mais peut devenir cassant avec le temps.
Polyméthacrylate de méthyle (PMMA) : Communément appelé acrylique. Il est transparent, résistant aux UV et plus rigide que le PE. Il est sujets à des rayures.
Polyester renforcé : solide, durable et peut résister à des pressions élevées. Il offre une bonne clarté optique.
Polycarbonate (PC) : Haute résistance aux chocs, excellente clarté et résistance aux UV. Il peut se dégrader avec le temps s’il est exposé au soleil sans protection UV.
Pour la culture de la spiruline, la clarté optique est fondamentale pour une pénétration optimale de la lumière. Dès lors, le PMMA et le PC sont préférés.
Puis concernant le fond du PBR et la technologie d’injection d’air par convection.
Un PBR avec un fond conique facilite la sédimentation, facilitant ainsi la récolte de la biomasse. La technologie d’injection d’air par convection facilite la circulation du milieu de culture. Cela maintient la spiruline en suspension, assurant un mouvement uniforme et une exposition optimale à la lumière. L’air est injecté à la base et à mesure qu’il monte vers le haut du PBR, il créé un modèle de circulation en poussant les cellules algales du centre du PBR vers l’extérieur du PBR afin de voir la lumière extérieure.
Un fond conique améliore l’effet de convection. La force de convection est facilement contrôlée par le débit d’air entrant. Il apporte des échanges efficaces, un coût énergétique réduit car il n’y a aucune agitation mécanique et un effet uniforme de la lumière.
Au niveau des lampes, CYANOPHY Laboratoire a fait de nombreuses études, notamment avec des prestataires spécialisés. Les lampes LED fournissent la qualité spectrale et l’intensité nécessaires à une croissance optimale. Les lampes LED étant fixées à l’extérieur, évitent les problèmes de surchauffe. Les considérations-clé sont les suivantes :
Au niveau de la qualité spectrale, la spiruline absorbe la lumière plus efficacement dans les régions bleues (430 à 450 nm) et rouges (640 à 680 nm). Il faut gérer la lumière. Maintenir une intensité lumineuse optimale est important. Cependant, il faut retenir qu’une intensité excessive peut inhiber la croissance en raison de la photo inhibition. Le cycle « lumière/obscurité » doit être respecté pour obtenir une photosynthèse équilibrée.
Etapes de culture de la spiruline en photo bioréacteurs
Succinctement, les étapes de culture de la spiruline dans des photo bioréacteurs sont les suivantes :
Au niveau de la stérilisation, avant introduction de l’inoculum, stériliser le PBR à l’aide d’une solution d’eau de javel ou de peroxyde d’hydrogène.
Introduction de l’inoculum qui doit être sain, dynamique et exempt de contaminants.
La spiruline nécessite une solution nutritive équilibrée. Le milieu Zarrouk est privilégié car il contient des macros et des micronutriments essentiels.
Il convient de surveiller le pH en la maintenant entre 9 et 10, car la spiruline préfère les conditions alcalines.
Maintenir une température entre 30 et 35°C car la culture de la spiruline est optimisée dans cette plage.
Aérer constamment avec l’injection d’air, car cela fournit du O2 et maintient la culture mélangée.
Au fur et à mesure que la spiruline grandit et que sa densité augmente, il convient de démarrer le processus de récolte. Le fond conique va faciliter la sédimentation. Le principe de récolte va aller chercher la biomasse concentrée au fond.
’’ Productivité nettement supérieure qu’une culture traditionnelle en raceway ’’
La culture de la spiruline est tout aussi importante que l’entretien. Pour optimiser la production de biomasse et empêcher la ou les contamination(s), il convient de :
Surveiller régulièrement le pH, la température et la concentration en nutriments
Nettoyer régulièrement les PBR pour éviter la formation de biofilms
Être très vigilant avec les lampes LED et les remplacer aussitôt si nécessaire
La spiruline peut être contaminée par d’autres algues ou par des microbes. Une surveillance régulière et le maintien de conditions optimales réduisent le risque de contamination.
Pour éviter le problème de la photo inhibition, il convient d’être très vigilant sur l’ajustement de l’intensité des lampes LED.
La culture de la spiruline dans des PBR en plastique transparent, avec un fonds conique, l’utilisation d’injection d’air par convection et l’optimisation de l’éclairage LED notamment, maximisent l’efficacité de la croissance en optimisant l’environnement lumineux et nutritif. En surveillant et en ajustant soigneusement les divers paramètres, il est possible d’atteindre une production élevée de biomasse, ce qui rend l’ensemble du processus économiquement et scientifiquement gratifiants.
Schéma d’un fonctionnement d’un photo bioréacteur
Les avantages d’une culture de la spiruline dans des PBR :
- Productivité nettement supérieure qu’une culture traditionnelle en raceway
- Risque de contamination minime s’il y a un bon entretien
- Faible consommation d’eau
- Faible encombrement
- Excellente pureté de la biomasse (qualité nutraceutique)
- Volume de production constant et prévisible
- Récolte optimisée grâce à une concentration en spiruline plus élevée
- Faible dépendance aux intempéries
- La possibilité d’une production de 24 h avec éclairage naturel (serre) artificiel (lampes LED)
Allons plus loin dans la biologie. Le PBR permet de manière artificielle de recréer le milieu de culture idéal de la spiruline pour favoriser sa croissance rapide, mais aussi pour optimiser la physiologie de celle-ci.
Oui, la spiruline est un paradoxe à elle seule. Elle vit dans des milieux naturels insoupçonnés, cependant, elle est à la fois microscopique mais aussi « nano-sensible » dans le milieu où elle évolue.
Elle doit donc conserver des caractéristiques physico-chimiques de base pour une bonne croissance : le bon PH, la bonne température, les nutriments adéquats et l’éclairage nécessaire pour effectuer la photosynthèse. Si un seul de ces paramètres fait défaut, alors la croissance de la spiruline ralentit et peut même périr. Le milieu se dégrade, présente des carences, et son état de santé est de plus en plus délétère.
Est-ce la raison qui rend cette microalgue un aliment unique ? Oui, car bien qu’elle soit « nano-sensible » à son milieu de culture, avec minutie, la souche de spiruline peut se modifier pour s’adapter à son nouvel environnement. La culture en PBR permet donc d’aller plus loin. Une sélection pointue des nutriments, une sélection des longueurs d’ondes de l’éclairage, l’agitation pour l’oxygénation du milieu, le choix d’exposition à la lumière etc… autant de paramètres qui permettent de modifier la physiologie de la spiruline.
Pourquoi ? Pour en tirer le maximum de ses bénéfices. En effet, certaines longueurs d’ondes de lumière choisies permettent d’augmenter le taux de concentration de phycocyanine contrairement à une culture dite « classique ». Cette biomolécule active est si précieuse et si importante sur les bienfaits anti-oxydants et anti-inflammatoires pour la santé cellulaire, qu’il semble pertinent d’optimiser sa teneur dans la spiruline.
On va ainsi via un PBR, contrôler la température, le PH, pour favoriser la vitesse de croissance, adapter le dosage parfait des nutriments nécessaires pour sa duplication, choisir les longueurs d’ondes et la luminosité nécessaires pour optimiser la photosynthèse, gérer le brassage et l’oxygénation du milieu et injecter si besoin du CO2 supplémentaire (la spiruline capte déjà du CO2). Le tout dans un environnement protégé de toute pollution et offrant donc une pureté d’eau inégalée.
Quels sont les inconvénients de la culture de la spiruline en PBR ?
Modifier cette physiologie demande des compétences biologiques pointues. Une technologie adaptée pour paramétrer le PBR et obtenir les objectifs recherchés tout en alliant productivité et qualité. Car rappelons-nous que la spiruline est « nano-sensible » et qu’elle peut vite dériver défavorablement voir mourir si un paramètre est omis ou négligé.
Une installation de PBR est aussi plus onéreuse et demande des compétences supérieures qu’une ferme aquacole traditionnelle avec des bassins (raceway). L’environnement artificiel à recréer nécessite des ressources d’énergie supplémentaires qui peuvent engendrer un surcoût de production.
Conclusion
La culture de la spiruline dans des photo bioréacteurs à fond conique offre une approche innovante pour maximiser le rendement de la biomasse. La structure conique simplifie la récolte en utilisant la gravité pour la sédimentation. Les lampes LED fournissent des spectres lumineux ciblés, assurant une photosynthèse optimale, tout en atténuant les risques de photo inhibition. La technique d’injection d’air par convection améliore la circulation de la culture, garantissant une répartition uniforme de la lumière et un échange gazeux efficace. Ces caractéristiques combinées présentent un système holistique et rationalisé pour la production de spiruline, alliant simplicité et haute efficacité et positionnant cette méthode comme la référence en matière de culture de microalgues durable et évolutive.
Avec une expertise et un savoir-faire aiguisé, créer un environnement écologique idéal pour reproduire une spiruline de haute pureté et d’une qualité inégalée est possible.
Études scientifiques
Morènikè Nadège Ahounou, « La spiruline : un complément alimentaire en conseil à l’officine. Enquête d’utilisation. (Thèse en Sciences pharmaceutiques.), 2018 (HAL dumas-01804069)»
Audrey MANET, « La spiruline : indications thérapeutiques, risques sanitaires et conseils à l’officine » (Thèse UFR de Pharmacie) 2016 HAL Dumas
Vonshak, A. (éd). (1997). Spirulina platensis (Arthrospira) : Physiologie, biologie cellulaire et biotechnologie. Taylor et François.
Richmond, A et Hu, Q. (2013). Manuel de culture de microalgues : phycologie appliquée et biotechnologie. John Wiley et fils.