Riches en acides gras polyinsaturés, protéines, enzymes, vitamines, minéraux et oligo-éléments, il n’est pas étonnant que les algues soient devenues une matière première très convoitée qui entre dans la composition de nombreux produits dans les secteurs pharmaceutique, chimique et alimentaire. Depuis plus de 50 ans, GEA accompagne les start-up et les producteurs d’algues en soutenant la recherche et le développement et en fournissant des technologies de process de haute qualité qui satisfont les normes strictes de l’industrie.

Un kilogramme du plus gros consommateur de CO2 de notre planète, la biomasse algale, est en mesure de stocker près de deux kilogrammes de CO2 tout en relâchant 1,6 kilogramme d’oxygène. En plus de ce mécanisme très important, les algues sont utilisées dans d’innombrables applications, qui englobent pratiquement tout du dentifrice au cirage, en passant par les crèmes de soin, la nourriture pour animaux, les aliments et les compléments alimentaires, les colorants alimentaires naturels, les bio-engrais, les préparateurs de sol, le traitement des eaux ou encore les liants pour les métaux lourds. Et la liste s’allonge continuellement.

Existant sous forme marine ou d'eau douce, les algues sont classées en fonction leur taille (on parle de macro et de micro-algues) et par couleur : bleu, vert, brun ou rouge. Les macroalgues comprennent des plantes aquatiques de plus grandes dimensions et des variétés d’algues marines qui peuvent atteindre jusqu’à 50 mètres de long. Les microalgues, qui incluent, par exemple, la chlorelle et la spiruline :

  • sont en général des organismes unicellulaires microscopiques (la taille moyenne d’une cellule est comprise entre de 2 et 10 micromètres) ;
  • n’ont ni racines, ni tiges, ni feuilles ;
  • peuvent être cultivées dans des photo-bioréacteurs (PBR) ou dans des étangs ouverts et alimentés par des eaux usées, y compris des eaux d’égouts, ou cultivées par fermentation hétérotrophe, auquel cas les algues se nourrissent de sucres et non pas de lumière solaire ;
  • il est possible de les cultiver sur des surfaces non arables, ce qui fait qu’elles ne concurrencent pas la production alimentaire.

Un premier procédé de transformation, ou récolte, est nécessaire pour séparer la biomasse algale de l’eau dans laquelle elle s’est développée. GEA est présente dans ce domaine depuis les années 1960 avec des technologies de concentration, d’extraction et de lavage des algues, ainsi que de séchage.

D’un point de vue nutritionnel, il est difficile de battre les algues. Le poisson, par exemple le saumon, contient certes des huiles riches en omégas 3 aux nombreux bienfaits, mais il faut savoir qu’il ne les produit pas naturellement, mais à travers la consommation de micro-algues. Cela signifie que l’huile algale offre un potentiel encore supérieur quand il s’agit de subvenir aux besoins nutritionnels mondiaux et peut permettre de réduire la pression qui pèse sur les stocks de poissons dans le monde. Il est ainsi possible, par exemple, de l’utiliser en tant qu’aliment pour les poissons. De manière similaire, la demande grandissante de sources d’énergie et de plastiques biodégradables fiables, durables et à bas prix est un facteur majeur qui devrait contribuer à la croissance de ce secteur très intéressant.

De la délicatesse : freinons le cisaillement pour augmenter le taux de survie des algues

Détails de micro-algues

La transformation moderne des algues emploie la technologie de la centrifugation pour concentrer, extraire et laver les suspensions d’algues récoltées. Compte-tenu de la constitution biologique des algues, les centrifugeuses sont souvent le seul moyen économique permettant une transformation efficace des microalgues et ce, d’une part, parce qu’elles utilisent moins d’énergie que la filtration membranaire céramique et, d’autre part, parce que la taille des cellules cause le grippage ou le blocage des filtres à vide rotatifs traditionnels.

Ceci dit, utiliser une centrifugeuse veut dire faire appel à la force centrifuge et maintenir les cellules d’algues en vie en les exposant à une force pouvant atteindre 15 000 g peut se révéler difficile. Ce processus comporte en particulier deux étapes critiques : l’insertion des cellules dans le champ centrifuge et leur retrait de ce même champ. GEA a résolu le défi que constitue l’introduction des cellules sensibles dans un système en rotation il y a plusieurs années de cela avec son système d’alimentation hydrohermétique breveté. Ce système se compose d’un disque installé à l’extrémité d’un tube d’alimentation qui introduit les cellules sous la surface du liquide dans un bol pré-rempli. L’effet est similaire à celui obtenu en remplissant un seau avec de l'eau lorsque le tuyau remplit le conteneur en dessous la surface de l’eau, ce qui élimine les éclaboussures.

Coupe d’un séparateur GEA montrant le modèle d’écoulement du liquide, système d’évacuation inclus.
Coupe d’un séparateur GEA montrant le modèle d’écoulement du liquide, système d’évacuation inclus.

Plus récemment, GEA a mis au point une solution que nombreux attendaient pour évacuer les cellules extrêmement sensibles au cisaillement comme les diatomées et les haptophytes du système de rotation sans les endommager ni les détruire, étant donné que les taux de mortalité peuvent atteindre plus de 90 pourcents et ce même à des vitesses réduites. La plupart des produits traités peuvent supporter un traitement rude sans effet négatif et, durant l’éjection normale, le bol s’ouvre tout en fonctionnant à pleine vitesse ou à vitesse réduite et les solides rassemblés sont tout simplement éjectés dans le receveur.

Dans le cas des algues, la centrifugeuse concentre les cellules et les recueille durant le fonctionnement dans les emplacements réservés aux solides à la périphérie du bol, le point exact où les forces centrifuges sont maximales. L’important était, et c’est là que la solution mise au point par GEA est particulièrement intéressante, de trouver un moyen de ralentir les solides durant l’évacuation, afin de diminuer la vitesse avec laquelle les cellules entrent en collision avec la paroi du receveur. Pour cela, GEA a développé un système éjecteur à assistance par hydrofreinage. Cette assistance au freinage fonctionne comme un rideau de liquide à travers lequel les solides sont éjectés. Une série de buses de pulvérisation sont montées sur le receveur. Dès que le piston est actionné, le système de commande déclenche les buses et un rideau de liquide est pulvérisé dans le receveur, ce qui ralentit ou freine considérablement la vitesse d’éjection des solides. Le liquide utilisé est normalement de l’eau, mais la phase claire séparée peut aussi être employée. Étant donné que les buses ne pulvérisent que brièvement lorsque le deuxième piston est actionné, la redilution des algues concentrées peut être atténuée.

Une nouvelle fonctionnalité permet la réduction des pertes de produit, qui passent de 95 à 2 pourcents

En 2018, l’entreprise japonaise OP Bio Factory, qui s'occupe de recherche et développement de produits naturels à partir de ressources marines pour les utiliser dans des médicaments et des substances fonctionnelles, a commencé à utiliser le nouvel hydro-frein GEA. Avec un système d’éjection conventionnel, 95 pourcents des cellules algales du client étaient détruites durant l’évacuation. Or avec la nouvelle fonctionnalité d’assistance, il a ramené les pertes de cellules algales à deux pourcents seulement, ce qui représente une amélioration massive sur le double plan des coûts et du rendement. OP Bio Factory peut désormais transformer avec succès même les cellules algales les plus sensibles avec des centrifuges.

Travailler en partenariat pour répondre à la demande grandissante de produits issus des algues

Pour les start-up et les entreprises de l'industrie des algues, le financement est capital pour passer du laboratoire à la phase pilote. Or, les investisseurs demandent, en général, des preuves qui montrent qu’une technologie donnée fonctionne à petite échelle ou puisse être exploitée à une échelle supérieure pour produire plusieurs tonnes de biomasse algale ou de gallons d’huile algale avant d’engager des fonds. Les facteurs clés d’une montée en échelle réussie de la production et de la transformation algales sont la réduction de la consommation d’énergie et des coûts d'exploitation.

Porridge à la spiruline

Depuis 2015, GEA soutient une start-up française biotech. Une collaboration qui a commencé par des essais de séparation sur place. En travaillant avec son client, GEA a aidé ce dernier à développer un procédé de récolte d’algues personnalisé qui produit de la biomasse microalgale de haute qualité à l’échelle industrielle pour l’utiliser dans le domaine de la nutrition animale, de l’alimentaire et des cosmétiques. Le séparateur à buses viscon® de GEA, par exemple, est utilisé pour la séparation des microalgues hétérotrophes, ce qui résulte en un concentré d’algues homogène contenant un maximum de matière sèche. La machine peut être entièrement nettoyée par NEP pour un rendement de séparation élevé.  

La société néerlandaise Duplaco exploite elle aussi le savoir-faire de GEA dans le domaine de la séparation pour transformer la chlorelle, une microalgue, cultivée par fermentation hétérotrophe, qui peut être utilisée dans la production d’aliments sains, comme des smoothies, des burgers à base d’algues ou des pâtes, dans des compléments alimentaires ou des aliments pour animaux. Les solutions de GEA contribuent à assurer que la poudre d’algue et les compléments alimentaires de Duplaco soient de haute qualité et d’une consistance optimale, tout en minimisant les coûts énergétiques du producteur et l’emprise au sol de la production.

Se poser tôt en partenaire de nos clients se révèle gagnant au moment de développer des procédés de récolte d’algues, et ce, en particulier quand il est nécessaire de diminuer les coûts de production et par unité. »- Alexander Piek, Application Manager - Séparation, Algues, Énergies renouvelables GEA

Des photobioréacteurs tubulaires produisent des microalgues dans l’installation de démonstration de SABANA R&D, dans le Centre de recherche IFAPA à Almeria en Espagne. Avec l’aimable autorisation de : SABANA
Des photobioréacteurs tubulaires produisent des microalgues dans l’installation de démonstration de SABANA R&D, dans le Centre de recherche IFAPA à Almeria en Espagne. Avec l’aimable autorisation de : SABANA

L’intérêt croissant pour le raffinage des algues dans l’optique de soutenir une production alimentaire durable a amené GEA et plusieurs de ses partenaires du milieu scientifique et des affaires à donner vie au projet SABANA (Sustainable Algae Biorefinery for Agriculture and Aquaculture, bioraffinerie d’algues durable pour l’agriculture et l’aquaculture) en 2016. Dans le cadre de cette initiative, qui entre dans le programme Horizon 2020 financé par l’UE, l’équipe a développé une bioraffinerie de microalgues intégrée à grande échelle pour la production de nourriture animale et d’additifs alimentaires, tels que des biostimulants, des bioengrais et des biopesticides, en démontrant la faisabilité technique, environnementale et sociale de la production de sous-produits algaux en utilisant uniquement de l’eau de mer et des eaux usées en tant que source de nutriments.*

Dans le secteur des biopesticides, l’équipe cultive, teste et transforme des variétés d’algues qui contiennent des agents antimicrobiens qui luttent contre divers pathogènes des plantes. GEA a apporté l’expertise et l’équipement nécessaires pour traiter la biomasse sensible, y compris des centrifugeuses pour la récolte et la concentration des microalgues ; des homogénéisateurs pour la rupture cellulaire et un séchoir-atomiseur pour le séchage de la biomasse de manière à pouvoir tester les agents actifs. Les résultats des essais seront disponibles fin 2021.

GEA a les outils adaptés pour l’opération

Pour ce qui est du procédé de concentration, GEA offre un choix de plusieurs séparateurs et décanteurs, qui ont tous des avantages propres et doivent être sélectionnés en fonction du type d’algue et des conditions de culture. Le choix d’un séparateur dépend aussi des volumes gérés, de la viscosité du produit, de la teneur en solides, de la valeur de pH du bouillon de fermentation et de la structure cellulaire. Pour une concentration ultérieure et la déshydratation de la biomasse ou la classification des microalgues, un décanteur GEA représente la prochaine étape de traitement.

En ce qui concerne la transformation des microalgues rouges et vertes, les homogénéisateurs GEA sont idéaux, car ils permettent d’obtenir la matière première d’extrêmement haute qualité requise pour les compléments alimentaires et de vitamines ainsi que pour les biomatériaux ou les bioplastiques. Cette technologie assure des composants fiables et de longue durée qui remplissent les exigences aseptiques et des produits qui respectent toutes les réglementations. L’homogénéisation est un procédé mécanique qui rompt la paroi externe de la cellule avec une pression atteignant jusqu’à 1500 bars pour relâcher le fluide intracellulaire. Elle offre des avantages en termes de fiabilité et de diminution du coût total de possession, compte-tenu que :

  • c’est un procédé en continu rapide ; 
  • les résultats obtenus en laboratoire sont 100 % reproductibles à l’échelle industrielle ; 
  • il est possible de faire varier la pression pour trouver le degré optimal pour la rupture des cellules ; 
  • il n’y a pas de risque de contamination du produit par d’autres substances.

Si les centrifugeuses peuvent éliminer la plupart de l’eau libre des suspensions algales, certaines applications requièrent des algues en poudre qui nécessitent un séchage par atomisation. Les algues sèches en poudre sont des protéines de haute qualité et peuvent être utilisées, par exemple, en tant qu’additifs dans l’alimentation animale.


* Ce projet a reçu un financement du programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de l'Union européenne sous la convention de subvention n°727874.

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