Revalorisation des eaux rejetées par les usines de dessalement, par Maï DIROU et Axelle RUGGIU

Les usines de dessalement d'eau de mer rejettent chaque jour d'importantes quantités d'eau hypersalée près des côtes. Ces rejets ont un impact négatif sur l'écosystème côtier. Nous cherchons donc à utiliser cette eau salée afin de limiter l'impact des usines de dessalement sur l'environnement. Pour cela nous mettons en place un dispositif de culture de l'algue halophile Dunaliella salina afin de produire de la bêta-carotène à partir de ces rejets d'eau salée.

• Problèmes rencontrés et solutions possibles
• Extraction des caroténoïdes
• Objectifs du projet
• Nouvelles expériences
• Premiers résultats
• Rendement
• impacte écologique

Problèmes rencontrés et solutions possibles

Problème de croissance d'algues/prolifération:

On a vu que nos algues formaient des amas. Cela serait dû à de mauvaises conditions de culture. Cela induit la sécrétion de polysaccharides, de pyruvate ou d'acide uronique qui entraînent la floculation de nos algues. (Guillaume Tanguy. Extraction biocompatible de métabolites de microalgues. Génie Chimique et des Procédés. Nantes Université, 2022. Anglais. NNT : 2022NANU4092. tel-04187484)

Pour pallier à cela nous avons fait quelques recherches : 

Infos concernant les conditions de culture extraites du site du fabricant de D.salina dont voici l'URL: site du fabricant/vendeur de D. salina

• utiliser de l'eau osmosée (pas de composés organiques) et pas distillée (pas de minéraux et pas de composés organiques)
• bulleur d'aquarium (déjà commandé sur Leboncoin)
• grand volume : cuve en verre de 2 litres
• sel marin (non iodé) : 35 g/l
• éclairage 24h
• récolte au bout de 10 à 15 jours: prélever 1/3 de la solution d'algue
• pendant la phase de croissance, ajouter 4mL de milieu pour 100L de culture
• pompe pour brasser le milieu si le diamètre de la cuve est supérieur à 100mm
• éclairage LED de 6500K
• ajout d'engrais deux à trois fois par semaine 

Figure extraite d'une thèse que j'ai trouvé (Guillaume Tanguy. Biocompatible extraction of metabolites from microalgae. Chemical and Process Engineering. Nantes Université, 2022. Anglais. NNT : 2022NANU4092. tel-04187484) , qui parle des conditions optimales de croissance et des conditions optimales de production de la bêta carotène, ici ils ne font pas varier le sel mais la lumière pour stresser les cellules et induire la production de bêta-carotène. Il se pourrait que nos cellules soient surexposées à la lumière.

Problème d'observation des algues :

• utiliser un microscope inversé à contraste de phase
• aspect des algues : rondes, non mobiles, absence de flagelle, regroupées en amas ---> signe de mauvaises conditions de culture, en cas de stress les cellules sécrètent du mucus pour se protéger, elles se divisent dedans formant ainsi des agrégats (source : thèse de monsieur Tanguy)

Problèmes liés à la lumière

Lorsque la cellule est exposée à la lumière, les réactions photosynthétiques fixent le dioxyde de carbone et produisent du dioxygène comme sous-produit.

La concentration élevée d'oxygène qui en résulte peut entraîner la synthèse d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) et de radicaux libres qui provoquent un stress oxydatif.

Les ROS sont probablement impliquées dans le processus de signalisation qui conduit à l'accumulation de β-carotène mais ralentit également la croissance des algues.

A                                                            B

A Photo de notre culture d'algue prise le 28/03/25, à gauche les algues ont reçu plus de lumière qu'à droite. On peut voir une nette différence de couleur qui pourrait être due à la différence de luminosité reçue.

B Image d'une culture de D.salina (internet) dans des conditions idéales de croissance

Extraction des caroténoïdes

Guillaume Tanguy. Biocompatible extraction of metabolites from microalgae. Chemical and Process Engineering. Nantes Université, 2022. English. NNT : 2022NANU4092. tel-04187484

Petit résumé bibliographique:

Pour extraire les caroténoïdes d'une culture à des fins industrielles voici les étapes à suivre. Nous nous servirons de cela non pas pour doser les caroténoïdes (nous disposons déjà d'un protocole de TP) mais pour une preuve de concept car nous cherchons à obtenir des caroténoïdes de notre culture: 

1. faire floculer les algues grâce à un floculant tel que le NaOH (le plus efficace d'après notre source)
2. centrifuger 5 min et récupérer le culot
3. séchage, soit au soleil (simple mais peu recommandé), freeze drying (conseillé en labo), spray drying (conseillé aux industriels)
4. extraction grâce à un solvant organique de type huile consommable (pour l'industrie agroalimentaire et cosmétique)

Objectifs du projet

Carte d'identité de notre algue

Extrait d'un article Wikipedia: lien de la page wikipedia

Dunaliella salina est une espèce d'algues vertes (bien que de couleur rouge/rose) halophile de la famille des Dunaliellaceae, que l'on peut trouver plus particulièrement dans les marais salants et les zones dont la salinité est moyenne. 

Connue pour ses qualités antioxydantes, elle est utilisée en cosmétique et dans des suppléments diététiques. Les organismes pouvant survivre dans de telles conditions de salinité sont peu nombreux. La résistance au sel de cette algue vient de la forte concentration d'astaxanthine^[2] (un caroténoïde) qui la protège de la lumière et des teneurs élevées en glycérol. Ces conditions peu favorables engendrent une pression osmotique élevée que l'algue arrive à compenser.

Elle est à l'origine de la couleur rose/rouge caractéristique des marais salants.

                                     

Cette algue produit donc des caroténoïdes dont de l'astaxanthine lorsqu'elle est stressée. Notre objectif est de parvenir à produire ce pigment à partir d'une culture de Dunaliella salina dans une eau modélisant les conditions physico-chimiques des rejets d'une usine de dessalement d'eau de mer. 

Objectifs et axes de travail

L'enjeu est de stresser suffisamment notre algue afin qu'elle produise le précieux pigment, mais sans trop ralentir sa croissance ce qui nuirait au rendement. Une balance est donc à trouver afin de pouvoir cultiver cette algue dans les rejets salés. 

Dans un premier temps, nous mettrons en place un dispositif de culture dans une eau de concentration en sel équivalente à celle des rejets de saumure émis par les usines. 

Une fois notre culture stabilisée dans de telles conditions, nous ajouterons les polluants présents (en faible quantité) dans ces rejets. 

                           https://ecotoxicologie.fr/impacts-dessalement-eau-mer

Si les conditions physico-chimique des rejets d'eau salée ne sont pas compatible avec la production de caroténoïdes, nous les adapterons (dilution de l'eau, mise en place de filtre pour les polluants...).

Les mesures de caroténoïdes se ferons au spectrophotomètre après extraction de ces pigments de l'échantillon de culture. 

Présentation du dispositif

Une fois les conditions de cultures trouvées, nous passerons au "scale up": nous mettrons nos algues dans un petit bassin (idéalement muni d'une entrée et sortie d'eau) afin de modéliser un dispositif placé près d'une usine de dessalement.

 

 

Nouvelles expériences

Le 16/05/2025, 

nous avons reçu une nouvelle bouteille de Dunaliella salina et nous allons faire des nouvelles cultures en appliquant les conseils que nous avons trouvé avec la bibliographie. 

Nous allons réaliser 3 cultures différents d'un volume de 300ml. Il y aura une culture à 35g/L de sel (pour amplifier la souche), une culture à 58g/L (une concentrations de sel retrouvée dans les saumures rejetées par les usines de dessalement), et enfin une culture à 35g/L dans laquelle on augmentera lentement la quantité de sel pour atteindre 70g/L. 

Aujourd'hui, nous avons préparé une solution de sel marin à 70g/L, nous l'avons autoclavé et nous avons préparé 3 erlenmeyer (de 500mL de volume) que nous avons également autoclavé. La solution servira de milieu pour notre culture à 58g/L.

Nous avons également imaginé le système de culture et nous réservons 3 bulleurs à air pour lundi prochain (le 19/05), jour où nous mettrons cette nouvelle souche en culture. 

Lundi nous mesurerons l'absorbance de notre souche afin d'estimer le taux de chlorophylle pour pouvoir suivre la croissance des cultures.

Premiers résultats

Nous avons cherché à doser la concentration de chlorophylle et de bêta-carotène de nos premières cultures. Les algues en culture étaient soumises à trois conditions de salinité différentes : 35, 60 et 350g/L. Pour cela nous avons mesuré précisément l'absorbance des trois conditions à des longueurs d'ondes, puis nous avons relié ces longueurs d'onde à la concentration des différents pigments en utilisant la loi de Beer-Lambert. 

Cb = 22,78xA645 - 4,9xA663 en mg/L

Ca = 12,5xA663 - 2,9xA645

caroténoïde=[A470 - Cax14,55 - Cbx27,55] /258,9

	35	60	350
Ca	0,3264	0,6932	2 0441
Cb	0,60792	1 17836	3,44
caroténoïde	0,046	-0,164	-0,479

les résultats sont inexploitables car le blanc à été fait avec de l'eau douce plutôt que de l'eau salée.

Rendement

Estimation du rendement en bêta-carotène

Dans cette partie, nous cherchons à estimer le rendement en bêta-carotène que l'on peut raisonnablement espérer obtenir. En raison de la difficulté à quantifier précisément la teneur en bêta-carotène de nos souches, nous nous baserons sur des données théoriques issues de la littérature scientifique.

Selon les études disponibles, le rendement maximal de production en conditions optimales est estimé à 15,1 mg/L.

Le rendement global dépendra directement du volume du bassin de culture. La quantité de saumure disponible, issue du rejet des usines de dessalement, est largement suffisante pour nos besoins : une installation classique peut rejeter jusqu’à 100 000 m³ de saumure par jour.

Prenons l’exemple d’un bassin industriel de 10 000 m² avec une profondeur de 30 cm, soit un volume de :

10 000 m² × 0,3 m = 3 000 m³, soit 3 000 000 L.

Avec un rendement de 15,1 mg/L, une telle installation pourrait produire jusqu’à :

3 000 000 L × 15,1 mg/L = 45 300 000 mg, soit 45,3 kg de bêta-carotène.

Le cycle de croissance des algues permettant la production de bêta-carotène est d’environ 10 à 25 jours. En prenant la valeur haute de 25 jours, on peut tabler sur une production de 45,3 kg par cycle, soit environ :

365 jours / 25 jours ≈ 14,6 cycles par an
14,6 × 45,3 kg ≈ 661,38 kg de bêta-carotène par an.

Le bêta-carotène obtenu est naturel et présente une pureté de 98 %, bien supérieure à celle du bêta-carotène synthétique, dont la pureté varie généralement entre 10 et 20 %. En fonction du marché, on peut estimer sa valeur entre 300 et 700 euros le kilogramme, soit un potentiel de revenu annuel compris entre 198 414 € et 462 966 € pour une installation de cette taille.

impacte écologique

Évaluation de l’impact écologique du projet

Dans ce paragraphe, nous cherchons à quantifier l’impact écologique de notre dispositif. Il existe différentes façons d’évaluer cet impact, la plus courante étant l’analyse des émissions de CO₂. Toutefois, cette méthode n’est pas la plus pertinente dans notre cas, car les émissions directes de CO₂ sont relativement faibles et peu représentatives de l’intérêt écologique de notre approche.

Nous proposons donc une alternative : mesurer l’énergie économisée grâce à notre système. Pour ce faire, nous comparons la consommation énergétique d'une production industrielle classique de bêta-carotène avec celle induite par notre dispositif.

La différence majeure réside dans la gestion des ressources. Les entreprises conventionnelles doivent :

• acheter séparément l’eau et le sel ;

• les transporter jusqu’au site de production ;

• préparer les milieux de culture en les mélangeant ;

• et, à la fin de chaque cycle, renouveler l’eau et le sel, générant ainsi une grande quantité de déchets salins.

Dans notre approche, nous utilisons directement la saumure rejetée par les usines de dessalement, un sous-produit industriel abondant et généralement considéré comme un déchet. En valorisant cette saumure pour la culture de microalgues productrices de bêta-carotène, nous :

• réduisons les besoins en ressources primaires (eau, sel, énergie) ;

• évitons la production de déchets supplémentaires ;

• et valorisons un rejet existant sans en créer de nouveau.

Ainsi, notre système constitue une solution circulaire qui limite significativement l’empreinte environnementale de la production de bêta-carotène.