The Biophysical Properties of Microalgal Cell Surfaces Govern Their Interactions with an Amphiphilic Chitosan Derivative Used for Flocculation and Flotation
Les propriétés biophysiques des surfaces cellulaires des microalgues régissent leurs interactions avec un dérivé amphiphile du chitosane utilisé pour la floculation et la flottation
Résumé
Microalgae show great promise for producing valuable molecules like biofuels, but their large-scale production faces challenges, with harvesting being particularly expensive due to their low concentration in water, necessitating extensive treatment. While methods such as centrifugation and filtration have been proposed, their efficiency and cost-effectiveness are limited. Flotation, involving air-bubbles lifting microalgae to the surface, offers a viable alternative, yet the repulsive interaction between bubbles and cells can hinder its effectiveness. Previous research from our group proposed using an amphiphilic chitosan derivative, polyoctyl chitosan (PO-chitosan), to functionalize bubbles used in dissolved air flotation (DAF). Molecular-scale studies performed using atomic force microscopy (AFM) revealed that PO-chitosan's efficiency correlates with cell surface properties, particularly hydrophobic ones, raising the question of whether this molecule can in fact be used more generally to harvest different microalgae. Evaluating this, we used a different strain of Chlorella vulgaris and first characterized its surface properties using AFM. Results showed that cells were hydrophilic but could still interact with PO-chitosan on bubble surfaces through a different mechanism based on specific interactions. Although force levels were low, flotation resulted in 84% separation, which could be explained by the presence of AOM (algal organic matter) that also interacts with functionalized bubbles, enhancing the overall separation. Finally, flocculation was also shown to be efficient and pH-independent, demonstrating the potential of PO-chitosan for harvesting microalgae with different cell surface properties and thus for further sustainable large-scale applications.
Les microalgues sont très prometteuses pour la production de molécules précieuses telles que les biocarburants, mais leur production à grande échelle se heurte à des difficultés, la récolte étant particulièrement coûteuse en raison de leur faible concentration dans l'eau, qui nécessite un traitement approfondi. Des méthodes telles que la centrifugation et la filtration ont été proposées, mais leur efficacité et leur rentabilité sont limitées. La flottation, qui consiste à faire remonter les microalgues à la surface à l'aide de bulles d'air, offre une alternative viable, mais l'interaction répulsive entre les bulles et les cellules peut nuire à son efficacité. Des recherches antérieures de notre groupe ont proposé d'utiliser un dérivé amphiphile du chitosane, le polyoctyl chitosane (PO-chitosane), pour fonctionnaliser les bulles utilisées dans la flottation à l'air dissous (DAF). Des études à l'échelle moléculaire réalisées à l'aide de la microscopie à force atomique (AFM) ont révélé que l'efficacité du PO-chitosan est corrélée aux propriétés de la surface cellulaire, en particulier les propriétés hydrophobes, ce qui soulève la question de savoir si cette molécule peut en fait être utilisée de manière plus générale pour récolter différentes microalgues. Pour ce faire, nous avons utilisé une souche différente de Chlorella vulgaris et avons d'abord caractérisé ses propriétés de surface à l'aide de l'AFM. Les résultats ont montré que les cellules étaient hydrophiles mais qu'elles pouvaient encore interagir avec le PO-chitosan sur les surfaces de bulles par un mécanisme différent basé sur des interactions spécifiques. Bien que les niveaux de force soient faibles, la flottation a permis une séparation de 84 %, ce qui pourrait s'expliquer par la présence d'AOM (matière organique algale) qui interagit également avec les bulles fonctionnalisées, améliorant ainsi la séparation globale. Enfin, la floculation s'est également avérée efficace et indépendante du pH, ce qui démontre le potentiel du PO-chitosan pour la récolte de microalgues ayant différentes propriétés de surface cellulaire et donc pour d'autres applications durables à grande échelle.
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