Algaculture - Algaculture

L'algaculture est une forme d' aquaculture impliquant l'élevage d'espèces d' algues .

La majorité des algues cultivées intentionnellement entrent dans la catégorie des microalgues (également appelées phytoplancton , microphytes ou algues planctoniques ). Les macroalgues , communément appelées algues , ont également de nombreuses utilisations commerciales et industrielles, mais en raison de leur taille et des exigences spécifiques de l'environnement dans lequel elles doivent pousser, elles ne se prêtent pas aussi facilement à la culture (cela peut changer, cependant, avec l'avènement de nouveaux cultivateurs d'algues, qui sont essentiellement des épurateurs d'algues utilisant des bulles d'air ascendantes dans de petits conteneurs).

La culture d'algues commerciale et industrielle a de nombreuses utilisations, y compris la production d'ingrédients alimentaires tels que les acides gras oméga-3 acides gras ou des aliments naturels des colorants et des colorants , des aliments , des engrais , bioplastiques , matière première chimique (matière première), les produits pharmaceutiques et Algocarburant , et peut également être utilisé comme moyen de contrôle de la pollution .

La production mondiale de plantes aquatiques d'élevage, largement dominée par les algues, est passée de 13,5 millions de tonnes en 1995 à un peu plus de 30 millions de tonnes en 2016.

Culture, récolte et traitement des algues

Monoculture

La plupart des producteurs préfèrent la production monoculturelle et font des efforts considérables pour maintenir la pureté de leurs cultures. Cependant, les contaminants microbiologiques sont toujours à l'étude.

Avec les cultures mixtes, une espèce finit par dominer avec le temps et si l'on pense qu'une espèce non dominante a une valeur particulière, il est nécessaire d'obtenir des cultures pures pour cultiver cette espèce. Les cultures d'espèces individuelles sont également très nécessaires à des fins de recherche.

Une méthode courante pour obtenir des cultures pures est la dilution en série . Les cultivateurs diluent un échantillon sauvage ou un échantillon de laboratoire contenant les algues souhaitées avec de l'eau filtrée et introduisent de petites aliquotes (mesures de cette solution) dans un grand nombre de petits récipients de culture. La dilution fait suite à un examen microscopique de la culture source qui prédit que quelques-uns des conteneurs de culture contiennent une seule cellule de l'espèce souhaitée. Après une période appropriée sur une table lumineuse, les cultivateurs utilisent à nouveau le microscope pour identifier les conteneurs pour démarrer des cultures plus importantes.

Une autre approche consiste à utiliser un milieu spécial qui exclut d'autres organismes, y compris les algues envahissantes. Par exemple, Dunaliella est un genre de microalgues couramment cultivé qui s'épanouit dans une eau extrêmement salée que peu d'autres organismes peuvent tolérer.

Alternativement, les cultures d'algues mixtes peuvent bien fonctionner pour les larves de mollusques . Tout d'abord, le cultivateur filtre l'eau de mer pour éliminer les algues trop grosses pour être mangées par les larves . Ensuite, le cultivateur ajoute des nutriments et aère éventuellement le résultat. Après un ou deux jours dans une serre ou à l'extérieur, la fine soupe d'algues mélangées qui en résulte est prête pour les larves. Un avantage de cette méthode est le faible entretien.

Faire pousser des algues

Voir aussi : Algoculteur et Culture de microalgues en écloserie
Les microalgues sont utilisées pour cultiver des crevettes de saumure , qui produisent des œufs dormants (photo). Les œufs peuvent ensuite être éclos à la demande et donnés aux larves de poissons et crustacés d'élevage.

L'eau, le dioxyde de carbone , les minéraux et la lumière sont tous des facteurs importants dans la culture, et différentes algues ont des exigences différentes. La réaction de base pour la croissance des algues dans l'eau est dioxyde de carbone + énergie lumineuse + eau = glucose + oxygène + eau. C'est ce qu'on appelle la croissance autotrophe . Il est également possible de faire pousser certains types d'algues sans lumière, ces types d'algues consomment des sucres (comme le glucose). C'est ce qu'on appelle la croissance hétérotrophe .

Température

L'eau doit être dans une plage de température qui soutiendra les espèces d'algues spécifiques cultivées principalement entre 15˚C et 35˚C.

Lumière et mélange

Dans un système de culture d'algues typique, tel qu'un étang ouvert, la lumière ne pénètre que dans les 3 à 4 pouces supérieurs (76 à 102 mm) de l'eau, bien que cela dépende de la densité des algues. Au fur et à mesure que les algues grandissent et se multiplient, la culture devient si dense qu'elle empêche la lumière d'atteindre plus profondément dans l'eau. Lumière directe du soleil est trop fort pour la plupart des algues, qui peuvent utiliser seulement 1 / 10 la quantité de lumière qu'ils reçoivent de la lumière du soleil directe; Cependant, exposer une culture d'algues à la lumière directe du soleil (plutôt que de l'ombrager) est souvent le meilleur moyen pour une forte croissance, car les algues sous la surface sont capables d'utiliser davantage la lumière moins intense créée à partir de l'ombre des algues au-dessus.

Pour utiliser des bassins plus profonds, les producteurs agitent l'eau, faisant circuler les algues afin qu'elles ne restent pas à la surface. Les roues à aubes peuvent brasser l'eau et l' air comprimé provenant du fond soulève les algues des régions inférieures. L'agitation permet également d'éviter une surexposition au soleil.

Un autre moyen de fournir de la lumière est de placer la lumière dans le système. Les plaques luminescentes fabriquées à partir de feuilles de plastique ou de verre et placées dans le réservoir offrent un contrôle précis de l'intensité lumineuse et la répartissent plus uniformément. Cependant, ils sont rarement utilisés en raison de leur coût élevé.

Odeur et oxygène

L'odeur associée aux tourbières , marécages et autres eaux stagnantes peut être due à l'épuisement de l'oxygène causé par la décomposition des proliférations d'algues décédées . Dans des conditions anoxiques , les bactéries qui habitent les cultures d'algues décomposent la matière organique et produisent du sulfure d'hydrogène et de l' ammoniac , ce qui provoque l'odeur. Cette hypoxie entraîne souvent la mort d'animaux aquatiques. Dans un système où les algues sont intentionnellement cultivées, entretenues et récoltées, ni eutrophisation ni hypoxie ne sont susceptibles de se produire.

Certaines algues et bactéries vivantes produisent également des produits chimiques odorants, en particulier certaines cyanobactéries (auparavant classées parmi les algues bleu-vert) comme Anabaena . Les plus connus de ces produits chimiques à l'origine des odeurs sont le MIB ( 2-méthylisobornéol ) et la géosmine . Ils dégagent une odeur de moisi ou de terre qui peut être assez forte. La mort éventuelle des cyanobactéries libère un gaz supplémentaire qui est piégé dans les cellules. Ces produits chimiques sont détectables à de très faibles niveaux – de l'ordre de parties par milliard – et sont responsables de nombreux problèmes de « goût et d'odeur » dans le traitement et la distribution de l'eau potable . Les cyanobactéries peuvent également produire des toxines chimiques qui ont été un problème dans l'eau potable.

Nutriments

Les nutriments tels que l' azote (N), le phosphore (P) et le potassium (K) servent d'engrais pour les algues et sont généralement nécessaires à la croissance. La silice et le fer, ainsi que plusieurs oligo-éléments, peuvent également être considérés comme des nutriments marins importants, car leur absence peut limiter la croissance ou la productivité dans une zone donnée. Le dioxyde de carbone est également essentiel ; généralement, un apport de CO 2 est nécessaire pour une croissance rapide des algues. Ces éléments doivent être dissous dans l'eau, sous des formes biodisponibles, pour que les algues se développent.

Méthodes

Culture de macroalgues

Cette section est un extrait de la culture des algues . [ modifier ]
L' élevage sous-marin d' Eucheuma aux Philippines
Une personne se tient dans une eau peu profonde, ramassant des algues qui ont poussé sur une corde.
Un cultivateur d'algues à Nusa Lembongan (Indonésie) récolte des algues comestibles qui ont poussé sur une corde.

La culture des algues ou la culture du varech est la pratique de la culture et de la récolte des algues . Dans sa forme la plus simple, il s'agit de la gestion des lots naturellement présents. Dans sa forme la plus avancée, elle consiste à maîtriser parfaitement le cycle de vie des algues.

Les sept taxons d'algues les plus cultivés sont Eucheuma spp., Kappaphycus alvarezii , Gracilaria spp., Saccharina japonica , Undaria pinnatifida , Pyropia spp. et Sargassum fusiforme . Eucheuma et K. alvarezii sont cultivés pour le carraghénane (un agent gélifiant ) ; Gracilaria est cultivé pour la gélose ; tandis que les autres sont cultivés pour la nourriture. Les principaux pays producteurs d'algues sont la Chine, l'Indonésie et les Philippines. Les autres producteurs notables sont la Corée du Sud, la Corée du Nord, le Japon, la Malaisie et Zanzibar ( Tanzanie ). La culture des algues s'est fréquemment développée comme alternative pour améliorer les conditions économiques et réduire la pression de la pêche et les pêcheries surexploitées.

La production mondiale de plantes aquatiques d'élevage, largement dominée par les algues, est passée de 13,5 millions de tonnes en 1995 à un peu plus de 30 millions de tonnes en 2016. En 2014, les algues représentaient 27 % de toute l'aquaculture marine . La culture des algues est une culture négative en carbone , avec un potentiel élevé d' atténuation du changement climatique . Le rapport spécial du GIEC sur l'océan et la cryosphère dans un climat en évolution recommande « une plus grande attention de la recherche » comme tactique d'atténuation.

Étangs ouverts

Étang de raceway utilisé pour cultiver des microalgues. L'eau est maintenue en mouvement constant grâce à une roue à aubes motorisée .

Les étangs et les lacs de type raceway sont ouverts aux éléments. Les étangs ouverts sont très vulnérables à la contamination par d'autres micro-organismes, tels que d'autres espèces d'algues ou de bactéries. Ainsi, les cultivateurs choisissent généralement des systèmes fermés pour les monocultures. Les systèmes ouverts n'offrent pas non plus de contrôle de la température et de l'éclairage. La saison de croissance dépend en grande partie de l'emplacement et, en dehors des zones tropicales, est limitée aux mois les plus chauds.

Les systèmes d'étang ouvert sont moins chers à construire, ne nécessitant au minimum qu'une tranchée ou un étang. Les grands étangs ont les plus grandes capacités de production par rapport à d'autres systèmes de coût comparable. De plus, la culture en étang ouvert peut exploiter des conditions inhabituelles qui ne conviennent qu'à des algues spécifiques. Par exemple, Dunaliella salina pousse dans une eau extrêmement salée ; ces milieux inhabituels excluent d'autres types d'organismes, permettant la croissance de cultures pures dans des étangs ouverts. La culture ouverte peut également fonctionner s'il existe un système de récolte uniquement des algues souhaitées, ou si les étangs sont fréquemment réinoculés avant que les organismes envahissants ne puissent se multiplier de manière significative. Cette dernière approche est fréquemment utilisée par les agriculteurs de Chlorella , car les conditions de croissance de Chlorella n'excluent pas les algues concurrentes.

La première approche peut être utilisée dans le cas de certaines diatomées en chaîne puisqu'elles peuvent être filtrées à partir d'un courant d'eau s'écoulant à travers un tuyau d' évacuation . Une « taie d'oreiller » en tissu à mailles fines est attachée sur le tuyau d'évacuation permettant à d'autres algues de s'échapper. Les chaînes de diatomées sont maintenues dans le sac et nourrissent les larves de crevettes (dans les écloseries de l' Est ) et inoculent de nouveaux réservoirs ou étangs.

Enfermer un étang avec une barrière transparente ou translucide le transforme efficacement en serre. Cela résout de nombreux problèmes associés à un système ouvert. Cela permet de faire pousser plus d'espèces, cela permet aux espèces cultivées de rester dominantes et cela prolonge la saison de croissance - s'il est chauffé, l'étang peut produire toute l'année. Des étangs ouverts ont été utilisés pour l'élimination du plomb à l'aide de Spirulina (Arthospira) sp .

Photobioréacteurs

Les algues peuvent également être cultivées dans un photobioréacteur (PBR). Un PBR est un bioréacteur qui incorpore une source lumineuse. Pratiquement n'importe quel conteneur translucide pourrait être appelé un PBR ; cependant, le terme est plus couramment utilisé pour définir un système fermé, par opposition à un réservoir ou un étang ouvert.

Parce que les systèmes PBR sont fermés, le cultivateur doit fournir tous les nutriments, y compris le CO
2.

Un PBR peut fonctionner en « mode batch », ce qui consiste à réapprovisionner le réacteur après chaque récolte, mais il est également possible de cultiver et de récolter en continu. Le fonctionnement continu nécessite un contrôle précis de tous les éléments pour éviter un effondrement immédiat. Le cultivateur fournit de l'eau stérilisée, des nutriments, de l'air et du dioxyde de carbone aux taux corrects. Cela permet au réacteur de fonctionner pendant de longues périodes. Un avantage est que les algues qui poussent dans la « phase log » ont généralement une teneur en nutriments plus élevée que les anciennes algues « sénescentes ». La culture d'algues est la culture d'algues dans des étangs ou d'autres ressources. La productivité maximale se produit lorsque le "taux d'échange" (temps pour échanger un volume de liquide) est égal au "temps de doublement" (en masse ou en volume) des algues.

Les PBR peuvent maintenir la culture en suspension ou fournir un substrat sur lequel la culture peut former un biofilm. Les PBR à base de biofilm ont l'avantage de pouvoir produire des rendements beaucoup plus élevés pour un volume d'eau donné, mais ils peuvent souffrir de problèmes de séparation des cellules du substrat en raison du débit d'eau nécessaire pour transporter les gaz et les nutriments vers la culture.

Les différents types de PBR de culture en suspension comprennent :

Les PBR de biofilm comprennent les PBR à lit tassé et à substrat poreux. Les PBR à lit emballé peuvent être de différentes formes, y compris des plaques plates ou tubulaires. Dans les bioréacteurs à substrat poreux (PSBR), le biofilm est exposé directement à l'air et reçoit son eau et ses nutriments par capillarité à travers le substrat lui-même. Cela évite les problèmes de suspension des cellules car il n'y a pas de flux d'eau à travers la surface du biofilm. La culture pourrait être contaminée par des organismes en suspension dans l'air, mais se défendre contre d'autres organismes est l'une des fonctions d'un biofilm.

Récolte

Les algues peuvent être récoltées à l'aide de microtamis, par centrifugation , par floculation et par flottation par mousse .

L'interruption de l' approvisionnement en dioxyde de carbone peut provoquer la floculation des algues, ce qui est appelé « autofloculation ».

Le "chitosan", un floculant commercial, plus couramment utilisé pour la purification de l'eau, est beaucoup plus cher. Les coquilles en poudre de crustacés sont traitées pour acquérir de la chitine , un polysaccharide présent dans les coquilles, à partir duquel le chitosane est dérivé par désacétylation. Une eau plus saumâtre ou saline nécessite de plus grandes quantités de floculant. La floculation est souvent trop coûteuse pour les grandes opérations.

L'alun et le chlorure ferrique sont d'autres floculants chimiques.

Dans la flottation par mousse , le cultivateur aère l'eau en une mousse, puis écume les algues par le haut.

L'échographie et d'autres méthodes de récolte sont actuellement en cours de développement.

L'extraction du pétrole

Article principal: carburant d'algues

Les huiles d'algues ont une variété d'utilisations commerciales et industrielles et sont extraites par diverses méthodes. Les estimations du coût d'extraction de l'huile des microalgues varient, mais sont probablement environ trois fois plus élevées que celles de l'extraction de l'huile de palme .

Extraction physique

Dans la première étape de l'extraction, l'huile doit être séparée du reste des algues. La méthode la plus simple est le concassage mécanique . Lorsque les algues sont séchées, elles conservent leur teneur en huile, qui peut ensuite être « pressée » avec une presse à huile . Différentes souches d'algues justifient différentes méthodes de pressage d'huile, y compris l'utilisation de vis, d'expulseur et de piston. De nombreux fabricants commerciaux d'huile végétale utilisent une combinaison de pression mécanique et de solvants chimiques pour extraire l'huile. Cette utilisation est souvent également adoptée pour l'extraction d'huile d'algues.

Le choc osmotique est une réduction soudaine de la pression osmotique , ce qui peut provoquer la rupture des cellules dans une solution. Le choc osmotique est parfois utilisé pour libérer des composants cellulaires, tels que l'huile.

L' extraction par ultrasons , une branche de la sonochimie , peut considérablement accélérer les processus d'extraction. À l'aide d'un réacteur à ultrasons, des ondes ultrasonores sont utilisées pour créer des bulles de cavitation dans un matériau solvant. Lorsque ces bulles s'effondrent près des parois cellulaires, les ondes de choc et les jets de liquide qui en résultent provoquent la rupture de ces parois cellulaires et la libération de leur contenu dans un solvant. Les ultrasons peuvent améliorer l'extraction enzymatique basique.

Extraction chimique

Des solvants chimiques sont souvent utilisés dans l'extraction des huiles. L'inconvénient de l'utilisation de solvants pour l'extraction du pétrole sont les dangers liés au travail avec les produits chimiques. Des précautions doivent être prises pour éviter l'exposition aux vapeurs et le contact avec la peau, qui peuvent causer de graves dommages à la santé. Les solvants chimiques présentent également un risque d'explosion.

Un choix courant de solvant chimique est l' hexane , qui est largement utilisé dans l'industrie alimentaire et est relativement peu coûteux. Le benzène et l' éther peuvent également séparer l'huile. Le benzène est classé comme cancérigène .

Une autre méthode d'extraction par solvant chimique est l' extraction Soxhlet . Dans cette méthode, les huiles des algues sont extraites par lavage répété, ou percolation , avec un solvant organique tel que l' hexane ou l'éther de pétrole , au reflux dans une verrerie spéciale. L'intérêt de cette technique est que le solvant est réutilisé à chaque cycle.

L' extraction enzymatique utilise des enzymes pour dégrader les parois cellulaires avec de l'eau agissant comme solvant. Cela rend le fractionnement de l'huile beaucoup plus facile. On estime que les coûts de ce processus d'extraction sont beaucoup plus élevés que ceux de l'extraction à l'hexane.

Le CO 2 supercritique peut également être utilisé comme solvant. Dans cette méthode, le CO 2 est liquéfié sous pression et chauffé au point de devenir supercritique (ayant à la fois les propriétés d'un liquide et d'un gaz), ce qui lui permet d'agir comme solvant.

D'autres méthodes sont encore en cours de développement, notamment celles permettant d'extraire des types spécifiques d'huiles, telles que celles à forte production d'acides gras hautement insaturés à longue chaîne.

Collections de culture d'algues

Des souches d'algues spécifiques peuvent être acquises à partir de collections de cultures d'algues, avec plus de 500 collections de cultures enregistrées auprès de la Fédération mondiale des collections de cultures.

Utilisations des algues

La dulse est l'une des nombreuses algues comestibles.

Nourriture

Plusieurs espèces d'algues sont élevées pour se nourrir.

  • L' algue pourpre ( Porphyra ) est peut-être l'algue marine la plus largement domestiquée. En Asie, il est utilisé dans le nori ( Japon ) et le gim ( Corée ). Au Pays de Galles , il est utilisé dans le laverbread , un aliment traditionnel, et en Irlande, il est collecté et transformé en gelée par ragoût ou ébullition . La préparation peut également impliquer de faire frire ou de chauffer les frondes avec un peu d'eau et de battre avec une fourchette pour produire une gelée rosâtre. La récolte a également lieu le long de la côte ouest de l'Amérique du Nord , ainsi qu'à Hawaï et en Nouvelle-Zélande .
  • La dulse ( Palmaria palmata ) est une espèce rouge vendue en Irlande et au Canada atlantique . Il se mange cru, frais, séché ou cuit comme les épinards .
  • La spiruline ( Arthrospira platensis ) est une microalgue bleu-vert avec une longue histoire comme source de nourriture en Afrique de l'Est et au Mexique précolonial. La spiruline est riche en protéines et en autres nutriments, elle est utilisée comme complément alimentaire et contre la malnutrition. La spiruline prospère dans les systèmes ouverts et les producteurs commerciaux l'ont trouvée bien adaptée à la culture. L'un des plus grands sites de production est le lac Texcoco au centre du Mexique. Les plantes produisent une variété de nutriments et de grandes quantités de protéines . La spiruline est souvent utilisée commercialement comme complément nutritionnel.
  • La chlorella , une autre microalgue populaire, a une nutrition similaire à celle de la spiruline. La chlorella est très populaire au Japon . Il est également utilisé comme complément nutritionnel avec des effets possibles sur le taux métabolique.
  • La mousse d'Irlande ( Chondrus crispus ), souvent confondue avec Mastocarpus stellatus , est la source de carraghénane , qui est utilisé comme agent de rigidification dans les puddings instantanés, les sauces et les produits laitiers tels que la crème glacée. La mousse d'Irlande est également utilisée par les brasseurs de bière comme agent de collage .
  • La laitue de mer ( Ulva lactuca ), est utilisée en Ecosse , où elle est ajoutée aux soupes et aux salades.
  • Les dabberlocks ou badderlocks ( Alaria esculenta ) sont consommés frais ou cuits au Groenland , en Islande , en Écosse et en Irlande.
  • Aphanizomenon flos-aquae est une cyanobactérie similaire à la spiruline, qui est utilisée comme complément nutritionnel.
  • Des extraits et des huiles d'algues sont également utilisés comme additifs dans divers produits alimentaires. Les plantes produisent également des acides gras oméga-3 et oméga-6 , que l'on trouve couramment dans les huiles de poisson et dont il a été démontré qu'ils ont des effets bénéfiques sur la santé.
  • Les espèces de sargasses constituent un groupe important d'algues. Ces algues possèdent de nombreux phlorotannins .
  • Le cochayuyo ( Durvillaea antarctica ) est consommé en salade et en ceviche au Pérou et au Chili.
  • Les microalgues et les macroalgues sont utilisées pour fabriquer de la gélose (voir ci-dessous), qui est utilisée comme agent gélifiant dans les aliments.

Manipulation en laboratoire

Des scientifiques australiens de l'Université Flinders d' Adélaïde ont expérimenté l'utilisation de microalgues marines pour produire des protéines destinées à la consommation humaine, créant des produits tels que du « caviar », des hamburgers végétaliens , de la fausse viande , des confitures et d'autres aliments à tartiner . En manipulant des microalgues dans un laboratoire , la teneur en protéines et autres nutriments pourrait être augmentée et les saveurs modifiées pour les rendre plus agréables au goût. Ces aliments laissent une empreinte carbone beaucoup plus légère que d'autres formes de protéines, car les microalgues absorbent plutôt que produisent du dioxyde de carbone , ce qui contribue aux gaz à effet de serre .

Engrais et gélose

Pendant des siècles, les algues ont été utilisées comme engrais . C'est aussi une excellente source de potassium pour la fabrication de potasse et de nitrate de potassium . Certaines microalgues peuvent également être utilisées de cette manière.

Les microalgues et les macroalgues sont utilisées pour fabriquer de la gélose .

Contrôle de la pollution

Dans un souci de réchauffement climatique , de nouvelles méthodes de captage complet et efficace du CO 2 sont recherchées. Le dioxyde de carbone produit par une usine à combustion de carbone peut alimenter des systèmes d'algues ouverts ou fermés, fixant le CO 2 et accélérant la croissance des algues. Les eaux usées non traitées peuvent fournir des nutriments supplémentaires, transformant ainsi deux polluants en produits de valeur.

La culture d'algues est à l'étude pour la séquestration de l'uranium/plutonium et l'épuration des eaux de ruissellement des engrais.

Production d'énergie

Les entreprises, les universités et les gouvernements explorent la possibilité d'utiliser des algues pour fabriquer de l'essence, du biodiesel, du biogaz et d'autres carburants. Les algues elles-mêmes peuvent être utilisées comme biocarburant et être en outre utilisées pour créer de l'hydrogène. Voir Carburant aux algues .

Autres utilisations

La chlorella , en particulier une souche transgénique qui porte un gène de mercure réductase supplémentaire , a été étudiée comme agent d' assainissement de l' environnement en raison de sa capacité à réduire le Hg .2+
 au mercure élémentaire moins toxique.

Les algues cultivées servent à de nombreuses autres fins, notamment les cosmétiques, l'alimentation animale, la production de bioplastiques, la production de colorants et de colorants, la production de matières premières chimiques et les ingrédients pharmaceutiques.

Voir également

Sources

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Les références

Liens externes