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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
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Natacha ROMBAUT : Docteur en génie des procédés - Université d’Avignon, INRA, UMR408, GREEN Extraction Team, Avignon, France
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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
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3. Mise en œuvre à l’échelle industrielle
Les propriétés particulières des gaz liquéfiés employés, notamment leur bas point d’ébullition, facilitent les étapes d’évaporation / condensation du solvant et incitent les constructeurs à développer des unités d’extraction intégrant le circuit de recyclage du solvant. De cette façon, les extractions peuvent être réalisées au choix en mode batch ou semi-continu.
On peut distinguer deux types d’unités d’extraction industrielles mettant en œuvre des gaz liquéfiés, en fonction de leur fonctionnement thermodynamique : les unités fonctionnant selon un cycle thermodynamique type « pompe à chaleur », avec une phase de compression suivie d’une phase de détente, et les unités fonctionnant selon un mode isobare (pression constante).
3.1 Systèmes avec compresseur
Les systèmes « compression / détente » englobent les systèmes dans lesquels la circulation du solvant (gaz liquéfié) est générée par un compresseur (figure 3), selon un cycle thermodynamique continu semblable à ceux des groupes frigorifiques (compression – condensation – détente – évaporation). Lors de ce cycle, le solvant est présent sous forme liquide dans l’extracteur puis est évaporé par détente dans un évaporateur pour isoler l’extrait. Les vapeurs de solvants sont ensuite compressées pour être condensées à température ambiante dans un condenseur aérotherme, sans avoir recours à un réseau de distribution de froid (eau froide, eau glycolée, saumure etc.).
Afin d’avoir une meilleure compréhension du système d’un point de vue thermodynamique, il est souvent utile de faire figurer le cheminement du solvant sur son diagramme enthalpique (figure 4 a), le diagramme dit des frigoristes [BE 8 041]. La pression est en ordonnée selon une échelle logarithmique et l’enthalpie est en abscisse. L’état de référence pour l’enthalpie...
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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
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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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