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RÉSUMÉ
L’utilisation des gaz liquéfiés comme solvants d’extraction de produits naturels permet d’obtenir des extraits de qualité même à partir de matière première fragile. Cet article présente les différents gaz liquéfiés utilisables comme solvants d’extraction et les procédés permettant leur mise en œuvre à l’échelle industrielle. Les impacts économiques, réglementaires et environnementaux de ces procédés sont étudiés, sans oublier l’aspect sécurité pour les consommateurs et opérateurs. L’ensemble est illustré par des exemples d’applications des gaz liquéfiés, à l’échelle industrielle et laboratoire visant à obtenir des extraits de différentes natures (huiles, extraits odorants, colorants, molécules bioactives…).
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Liquefied gases are used as solvents to obtain high quality extracts even from fragile raw material. This article presents the main liquified gases used as extraction solvents together with their implementation at an industrial scale. Economic, regulatory, environmental and safety impacts of these new solvents are discussed. These sections are supplemented by illustrative examples of liquified gas processes for the production of different extracts (oils, aromatic extracts, colors, bioactive compounds etc.) at laboratory and industrial scales.
Auteur(s)
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Vincent RAPINEL : Ingénieur – Doctorant - Université d’Avignon, INRA, UMR408, GREEN Extraction Team, Avignon, France - Celsius SARL, 184 Chemin du Bouray, Villette de Vienne, France
-
Natacha ROMBAUT : Docteur en génie des procédés - Université d’Avignon, INRA, UMR408, GREEN Extraction Team, Avignon, France
-
Njara RAKOTOMANOMANA : Maître De Conférences - Université d’Avignon, INRA, UMR408, GREEN Extraction Team, Avignon, France
-
Alain VALLAGEAS : Ingénieur, Gérant - Celsius SARL, 184 Chemin du Bouray, Villette de Vienne, France
-
Farid CHEMAT : Professeur des Universités - Université d’Avignon, INRA, UMR408, GREEN Extraction Team, Avignon, France
INTRODUCTION
La première utilisation connue des gaz liquéfiés comme solvant d’extraction de produits naturels remonte à 1930 aux USA avec un procédé breveté par E. R. EBENEZER pour l’extraction d’huiles à partir de graines oléagineuses. En France, les gaz liquéfiés ont été utilisés la première fois en 1940 pour l’extraction de composés odorants à partir de matières premières fragiles, en particulier des fleurs.
Le n-butane a été le premier gaz liquéfié à avoir été mis en œuvre car son point d’ébullition (− 1 °C) permet de le liquéfier aisément sous faible pression pour extraire des molécules lipophiles, mais sans pour autant laisser de trace dans le produit final une fois évaporé. Depuis, de nouveaux gaz liquéfiés ont été testés et de nouvelles applications sont apparues, principalement liées à l’extraction d’huiles végétales et d’extraits odorants. Bien qu’efficaces et ne laissant aucune trace dans l’extrait final, ils ont été délaissés pour des raisons économiques au profit d’autres solvants liquides organiques pétrochimiques (hexane, benzène, toluène, dichlorométhane…) alors plus simples à mettre en œuvre industriellement.
Cependant, l’intérêt croissant du marché des ingrédients vers des produits d’origine naturelle de qualité supérieure, associé au durcissement de la réglementation visant à protéger notre environnement mais surtout la santé des opérateurs et des consommateurs, ont poussé les industriels à rechercher des alternatives plus en phase avec les principes de la chimie verte. La recherche académique et industrielle a permis de trouver plusieurs solvants alternatifs, néanmoins aucun d’entre eux n’a pour l’instant réussi à supplanter l’hexane dans l’industrie. L’alternative la plus sérieuse est l’utilisation de procédés d’extraction au CO2 supercritique, qui permet d’extraire efficacement des composés lipophiles à des températures généralement modérées (de 30 à 70 °C) et sans laisser de traces dans l’extrait. Néanmoins, les pressions nécessaires pour atteindre l’état supercritique (entre 100 et 1 000 bar, selon la température du procédé) limitent son utilisation à des produits à très haute valeur ajoutée du fait du coût d’investissement important pour une installation industrielle. Ce frein au développement des procédés au CO2 supercritique a permis aux gaz liquéfiés de devenir des alternatives tout à fait crédibles aux solvants existants, puisqu’ils permettent eux aussi d’extraire des composés lipophiles à température ambiante, sans laisser de traces dans le produit final, avec une faible consommation énergétique et pression modérée (1-10 bar) qui facilite sa mise en œuvre à l’échelle industrielle.
Il n’existe en 2018 que très peu d’études traitant de l’utilisation des gaz liquéfiés comme solvants d’extraction à l’échelle industrielle. Afin de permettre aux lecteurs mieux appréhender le procédé de façon globale, cet article présente :
-
les principaux types de gaz liquéfiés et en quoi ils sont potentiellement de bons solvants ;
-
comment ces gaz liquéfiés sont mis en œuvre industriellement pour extraire des composés d’intérêt ;
-
les applications existantes et potentielles ;
-
les impacts en termes de sécurité, de réglementation et d’empreinte environnementale.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
extraction | green solvant | natural extracts
DOI (Digital Object Identifier)
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Gaz liquéfiés : terminologie et principe
En anglais
9. Glossaire
Gaz liquéfié ; liquefied gas
Substance se présentant sous forme gazeuse dans les conditions normales de température et de pression mais qui est liquéfié par refroidissement et/ou compression. Par convention, cette appellation est souvent restreinte aux substances ayant une température d’ébullition comprise entre − 90 et 10 °C.
Éco-extraction ;green extraction
Extraction des végétaux permettant de réduire la consommation énergétique mais aussi utilisant des solvants alternatifs et des ressources végétales renouvelables.
Directive ATEX (ATmosphères EXplosibles) ; ATEX Directive
Directive européenne (2014/34/UE) concernant les appareils et les systèmes de protection destinés à être utilisés en atmosphères explosibles.
COSMO-RS (COnductor like Screening MOdel for Real Solvents)
Modèle prédictif permettant de calculer le potentiel chimique d’une substance dans un solvant ou mélange de solvants. Le calcul du potentiel chimique permet ensuite de déduire de nombreuses propriétés thermodynamiques telles que le coefficient d’activité, la pression de vapeur, les coefficients de partage ou bien la solubilité.
Diagramme enthalpique ; Mollier diagram
Diagramme relatif à un fluide présentant la relation entre l’enthalpie (abscisse) et la pression (ordonnée), à différentes températures. Ce diagramme permet de visualiser la quantité de chaleur produite ou consommée par une variation de température et/ou d'état d'un fluide.
Fluide supercritique ; supercritical fluid
Fluide dont la température et la pression se situent au-delà de son point critique. Un fluide supercritique possède des propriétés physiques (densité, viscosité, diffusivité) intermédiaires entre celles des liquides et celles des gaz.
Pertes de charge ; pressure losses
Dissipation par frottements de l’énergie d’un fluide en mouvement.
Point de bulle ; bubble point
Température à laquelle apparait la première bulle de vapeur d’un liquide que l’on chauffe à pression constante.
Concrète ; concrete
Une concrète est l’extrait résiduel obtenu après macération de fleurs dans un solvant organique volatil tel que l’hexane, l’éther de pétrole ou le toluène....
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Glossaire
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - COMPRESSED GASES ASSOCIATION - Handbook of compressed gases. - Springer Science & Business Media, 4e édition, p. 1-15 (1999).
-
(2) - HEINRICH-SCHRAMM (A.), PRICE (W.), LÜDEMANN (H.) - Self-diffusion in compressed dimethyl ether : the influence of dipole-dipole interaction and hydrogen bonding upon translational diffusivity in simple fluids. - Für Naturforschung A, 50(2-3), p. 145-148 (2014).
-
(3) - SWIFT (G.), LOHRENZ (J.), KURATA (F.) - Liquid viscosities above the normal boiling point for methane, ethane, propane, and n-butane. - AIChE J., 6(3), p. 415-419 (1960).
-
(4) - HOLLDORFF (H.), KNAPP (H.) - Binary vapor-liquid-liquid equilibrium of dimethyl ether – water and mutual solubilities of methyl chloride and water : experimental results and data reduction. - Fluid Phase Equilibria, 44(2), p. 195-209 (1988).
-
(5) - FILLY (A.) et al - Alternative solvents for extraction of food aromas. - Experimental and COSMO-RS study. LWT – Food Sci. Technol., 61(1), p. 33-40...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
COSMOThermX (version C30_1602 – 13.07.2016) [Logiciel], COSMOlogic GmbH & Co. KG Imbacher Weg 46 51379 Leverkusen, Allemagne.
HAUT DE PAGE
Directive 2014/34/UE du Parlement européen et du Conseil du 26 février 2014 relative à l’harmonisation des législations des États membres concernant les appareils et les systèmes de protection destinés à être utilisés en atmosphères explosibles (refonte). OJ L 96, 29.3.2014, p. 309-356.
Directive 2014/68/UE du Parlement européen et du Conseil du 15 mai 2014 relative à l’harmonisation des législations des États membres concernant la mise à disposition sur le marché des équipements sous pression. OJ L 189, 27.6.2014, p. 164-259.
Directive 2009/32/CE du Parlement européen et du Conseil du 23 avril 2009 relative au rapprochement des législations des États membres concernant les solvants d'extraction utilisés dans la fabrication des denrées alimentaires et de leurs ingrédients (amendée par les directives 2010/59/EU et 2016/1855/EU). OJ L 141, 6.6.2009, p. 3-11.
Règlement (CE) n° 1223/2009 du Parlement européen et du Conseil du 30 novembre...
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Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.
Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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