Impact of emerging technologies on the cell disruption and fractionation of microalgal biomass
Impact des technologies émergentes dans la dénaturation cellulaire et le fractionnement de la biomasse microalgale
Résumé
This research work focuses on extraction and fractionation of bio-molecules from microalgae using physical treatments: pulsed electric fields (PEF), high voltage electrical discharges (HVED) and ultrasonication (US) techniques. In this study, three microalgae species Nannochloropsis sp., Phaeodactylum tricornutum (P. tricornutum) and Parachlorella kessleri (P. kessleri) were investigated. These species have different cell shapes, structure and intracellular contents. The effects of tested techniques on extraction of bio-molecules have been highlighted in a quantitative and qualitative analysis by evaluating the ionic components, carbohydrates, proteins, pigments and lipids. A comparative study of physical treatments (PEF, HVED and US) at the equivalent energy input for release of intracellular bio-molecules from three microalgal species allowed us to better understand the different disintegration mechanisms. For each microalga at the same energy consumption, the HVED treatment proved to be the most efficient for extraction of carbohydrates, while the US treatment for extraction of proteins and pigments. In general, the smallest efficiency was observed for the PEF treatment. However, the highest selectivity towards carbohydrates can be obtained using the mild PEF or HVED technique. The preliminary physical treatments (PEF, HVED or US) of more concentrated suspensions followed by high pressure homogenization (HPH) of diluted suspensions allowed improving the extraction efficiency and decreasing the total energy consumption. The physical pretreatments permit to reduce the mechanical pressure of the HPH and number of passes, to reach the same extraction yield. For the maximum valorisation of microalgal biomass, extraction procedure assisted by HVED treatment (40 kV/cm, 1-8 ms) followed by aqueous and non-aqueous extraction steps seems to be useful for selective extraction and fractionation of different bio-molecules from microalgae. The significant effects of HVED pre-treatment on organic solvent extraction of pigments (chlorophylls, carotenoids) and lipids were also observed.
Ce travail de recherche se concentre sur l'extraction et le fractionnement des biomolécules à partir de microalgues par des traitements physiques: les champs électriques pulsés (CEP), les décharges électriques de hautes tensions (DEHT) et les ultrasons (US). Dans cette étude, trois espèces de microalgues Nannochloropsis sp., Phaeodactylum tricornutum (P. tricornutum) et Parachlorella kessleri (P. kessleri) ont été étudiées. Les espèces ont différentes formes cellulaires, structure et contenu intracellulaire. L'effet des techniques testées sur l'extraction des biomolécules a été mis en évidence à travers une analyse quantitative et qualitative: suivi du rendement des composés ioniques, des glucides, des protéines, des pigments et des lipides. Une étude comparative des traitements physiques (CEP, DEHT et US), à la même énergie, pour la libération des biomolécules intracellulaires à partir des trois espèces de microalgues, a permis de mieux comprendre les différents mécanismes de désintégration. Pour chaque microalgue, à la même énergie consommée, le traitement par DEHT s'est révélé le plus efficace en terme d'extraction des glucides, tandis que les US sont plus efficaces pour l'extraction des protéines et des pigments. Le traitement par CEP a été moins efficace en terme du rendement d’extraction. Cependant, la meilleure sélectivité (extraction des glucides) a été obtenue en utilisant les CEP ou les DEHT. Les prétraitements physiques (CEP, DEHT ou US) des suspensions plus concentrées suivis d'une homogénéisation haute pression (HHP) de suspensions diluées ont permis d'améliorer l'efficacité de l'extraction et de diminuer la consommation énergétique totale et le nombre de passages. Le prétraitement physique permet de réduire la pression mécanique de l’HHP, pour atteindre le même rendement d’extraction. Pour la valorisation maximale de la biomasse de microalgues, une procédure d'extraction assistée par DEHT (40 kV/cm, 1-8 ms) suivie de plusieurs étapes d'extraction aqueuses et non aqueuses semble être utile pour l'extraction sélective et le fractionnement de différentes biomolécules à partir de microalgues. Des effets significatifs du prétraitement HVED sur l'extraction par solvant organique des pigments (chlorophylles, caroténoïdes) et des lipides ont été observés.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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