La purification, maillon essentiel de la bioraffinerie du végétal

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Le CVG possède un pilote d’électrodialyse de 3×50 litres pour les opérations de purification.

Article paru dans le magazine Formule Verte, n°16, novembre 2013.

Dans la plupart des activités industrielles, les procédés de production intègrent au minimum une étape de purification/séparation. La chimie du végétal, au travers de ses bioraffineries, ne fait pas exception. C’est pour présenter les technologies actuellement disponibles pour la chimie du végétal que le Centre de valorisation des glucides et des produits naturels (CVG) et l’ensemblier spécialisé dans les solutions de purification Eurodia, ont organisé une journée technique à ce sujet en octobre dernier à Amiens (Somme). « Il existe actuellement trois principales technologies de purification : l’électrodialyse, la filtration membranaire et enfin la chromatographie échangeuse d’ions », précise Mathieu Bailly, directeur commercial d’Eurodia.

Choisir le procédé de séparation selon l’application visée

Ces différentes technologies sont plus ou moins adaptées à certaines opérations de procédés. L’électrodialyse, utilisant l’électricité comme force motrice, est généralement employée pour des opérations de purification d’acides organiques ou de sels, de déminéralisation, notamment pour les solutions visqueuses) ou encore de la concentration. Il existe deux sortes d’électrodialyse : conventionnelle et bipolaire. « L’électrolyse conventionnelle constitue une alternative aux résines échangeuses d’ions lorsque la quantité de sels est trop importante ou bien lorsque la conductivité est trop élevée par exemple pour une déminéralisation. Elle est également adaptée à la purification d’ions organiques de faible poids moléculaires (<200 kD) », explique Florence Lutin, directrice R&D d’Eurodia. Quant à l’électrolyse bipolaire, elle convient davantage aux opérations de conversion de sels organiques en acides, et l’ajustement du pH de solutions sans l’ajout de produits chimiques. Cette technique se base sur une réaction de dissociation d’eau au sein d’une membrane afin d’en récupérer l’acide et la base. « L’inconvénient, c’est que si la solution à traiter continent des ions divalents, il est nécessaire de prétraiter afin de les enlever. De plus, ce procédé est très consommateur d’électricité, trois fois plus qu’une électrodialyse conventionnelle », détaille Florence Lutin. Cependant, des améliorations sont possibles avec notamment le développement de l’électrodialyse à haute température (65°C). Elle permet de diminuer la consommation d’énergie de 20 % pour l’électrolyse bipolaire ainsi que de prendre en charge des solutions visqueuses ou à faible conductivité.

La filtration membranaire emploie des baro-membranes (dépendant d’une force motrice liée à la pression), et comprend 4 types de procédés : la microfiltration, l’ultrafiltration, la nanofiltration et l’osmose inverse. Ce type de procédé en chimie verte est utilisé par exemple pour la purification d’acides organiques succinique, lactique), le fractionnement d’oligosaccharides ou encore la purification de protéines végétales.  « Les procédés d’ultrafiltration sont utilisés pour la clarification de molécules d’un taille comprise entre 250 kD à 10 kD. La nanofiltration concerne les composés inférieurs à 5 kD, généralement pour des opérations de concentration de molécules organiques et de déminéralisation de sels monovalents. Quant à l’osmose inverse, elle est employée pour de la concentration et de la récupération d’eau », détaille Florence Lutin. Ces procédés font appel à différents types de membrane : céramique, polymère organique et métallique. « Les membranes céramiques sont des monolithes robustes et facilement nettoyables mais qui coûtent cher. Les membranes organiques peuvent prendre des formes tubulaires ou spiralées selon leur emploi, et présentent l’avantage d’être compactes. En revanche, elles sont moins résistantes aux solvants et plus difficilement nettoyables. Enfin, les membranes métalliques sont très peu utilisées dans l’industrie », précise Florence Lutin.

Les procédés de chromatographie échangeuses d’ions utilisent des résines permettant de séparer les composés généralement selon leur charge ou leur taille. « Elles présentent l’avantage de pouvoir être régénérées après utilisation, par l’ajout d’un produit. Cette régénération peut se faire dans le même sens que le procédé de séparation ou bien à contre-courant selon le rendement qu’on veut obtenir », explique Marc-André Théoleyre, professeur à l’Ecole Centrale de Paris. Ce type de procédé peut utiliser trois principaux types de résines : cationiques (pour la greffe d’acides), anioniques (greffant les bases) et non fonctionnalisées (utilisé en tant que tamis moléculaire). « La capacité de saturation des résines échangeuses d’ions déterminent leur capacité de séparation. Il existe ainsi des résines “fortes“ qui gonflent à la régénération, et des résines “faibles“ qui gonflent à la saturation », développe Marc-André Théoleyre. Sur le plan industriel, les procédés de chromatographie échangeuses d’ions sont souvent employés pour des opérations de déminéralisation ou de purification d’acides aminés tels que la lysine, bien qu’elles soient très consommatrices en eau.

Avec l’électrodialyse, la filtration membranaire et la chromatographie échangeuse d’ions, les industriels disposent d’une gamme élargie de technologies pour leurs procédés de purification. Des solutions à choisir selon différents critères, comme l’indique Mathieu Bailly (Eurodia) : « L’industriel peut choisir une ou plusieurs des technologies selon plusieurs critères comme par exemple les besoins de son procédé de production (pureté/rendement), le prix d’accès à l’énergie et le la durée du retour sur investissement ». Preuve de la tendance de développement des besoins en purification des industriels de la chimie du végétal, la société Eurodia a récemment lancé sa filiale spécialement dédiée Chemistria, pour répondre au plus près des besoins spécifiques du secteur.

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