Application des techniques membranaires pour la purification des hémicelluloses

La purification des extraits hémicellulosiques à l’issu de l’extraction est souvent difficile, car elle doit combiner, plusieurs techniques telles que la centrifugation, la filtration et la précipitation alcoolique (Maréchal, 2004). La précipitation alcoolique est très coûteuse car l’extraction conduit à des solutions diluées et la précipitation dans ce cas, a besoin de plusieurs volumes d’alcools pour un volume de solution. L’ultrafiltration, définie comme un procédé de séparation membranaire en phase liquide et fonctionnant à énergie basse et à température ambiante, peut être l’alternative pour concentrer et purifier de tels extraits (Swennen et al., 2005, Harasek et al., 2005, Montane et al., 2007), sans que ces solutions sensibles ne soient altérées (Zacchi et al., 2005). En revanche, elles sont concentrées et épurées des petites molécules co-extraites, des composés de dégradation et des ions (Persson et al., 2006 ; Jönsson et al., 2008).

Les performances des membranes d’ultrafiltration utilisées sont importantes dans la mesure où elles influent sur l’ensemble du processus et des étapes de purification suivantes. Des membranes de types hydrophiles ou hydrophobes peuvent être utilisées (Zacchi et al., 2005), les membranes hydrophiles possèdent un flux de séparation plus élevé ainsi qu’une capacité de séparation importante, elles retiennent jusqu’à 90% des hémicelluloses présentes dans la solution. Les membranes hydrophobes sont sujettes à de nombreux phénomènes d’encrassement de la matière.

Voici quelques études, figurant dans la littérature et étudiant la purification des hémicelluloses par des procédés membranaires, notamment l’ultrafiltration :

- Purification des hémicelluloses par modification des propriétés des membranes d’ultrafiltration et de nanofiltration (Schlesinger et al., 2005) :

La modification des propriétés des membranes d’ultrafiltration est effectuée par la génération d’un gel d’hémicelluloses irréversible qui s’adhère à la surface membranaire. Ce gel, compressé réduit le flux de filtration par augmentation de la rétention des composés.

En effet, les chaînes polysaccharidiques en solution sont capables d’interagir entre elles par des liaisons hydrogènes pour former différentes structures et agrégats. La caractérisation de ces agrégats par chromatographie d’exclusion-diffusion montre que le mécanisme d’agrégation dépend de la masse molaire des structures xylaniques, des substituants tels que les groupements acétyles, et les résidus de lignines. Ces phénomènes d’agrégation des hémicelluloses en solution jouent un rôle important dans la formation des gels durant l’ultrafiltration et la nanofiltration.

L’étude des phénomènes d’encrassement et du colmatage lors de la filtration dans les membranes modifiées, montre que les substances anioniques sont mieux retenues du fait de la charge de répulsion existante entre ces anions et les surfaces des membranes chargées

Le traitement thermique de la solution de départ, permet la dégradation des structures hémicellulosiques. Ceci diminue leur poids moléculaire, réduit leur rétention par la membrane et augmente le flux. Des réactions de re-condensations possibles peuvent récompenser la réduction de la rétention. La dégradation des molécules et la diminution de leur poids moléculaire défavorise leur capacité à former un gel à la surface membranaire et diminue le colmatage irréversible.

En revanche, l’utilisation des agents précipitants tels que le méthanol en quantité modérée favorise la formation des agrégats et augmente la probabilité de former un gel et diminue le flux, alors que la neutralisation par des quantités modérées d’acide sulfurique diminue la viscosité de la solution, et augmente le flux. Par contre, le flux peut être diminué par l’augmentation des volumes d’acide sulfurique ajoutés, par augmentation de la différence de pression osmotique entre le rétentat et le perméat.

L’ultrafiltration et la nanofiltration sur l’effluent résultant de l’extraction alcaline de la matière végétale peuvent être appliquées en industrie papetière (Harasek et al., 2006). Les membranes utilisées sont à base de polymères organiques ou de céramique et possèdent des seuils de coupures compris entre 1 et 5 kDa. Dans le cas où le pH de l’effluent n’est pas compris entre 7 et 12, des membranes résistantes à des solutions alcalines doivent être utilisées.

A pH élevé, les groupements acides carboxyliques des hémicelluloses sont déprotonés, cela va aboutir à un caractère anionique ou polyanionique de l’ensemble de la solution. Les membranes de nanofiltration sont chargées négativement à pH alcalin. Des forces répulsives peuvent être créées entre les solutés et la surface des membranes. La nanofiltration peut être influencée par la concentration, la polarisation et/ou par la formation d’un gel par les molécules de poids moléculaire élevé, sur la surface de membrane.

- Purification des hémicelluloses par diafiltration et comparaison à la chromatographie d’exclusion-diffusion (Person et al., 2006 ; Anderson et al., 2007) :

Dans cette étude, une méthode à trois étapes a permis la purification des ces polysaccharides. Tout d’abord, la microfiltration consiste à éliminer les particules solides. Ensuite, l’ultrafiltration consiste à concentrer les hémicelluloses. Et enfin, la diafiltration ou la chromatographie d’exclusion-diffusion consistent à les purifier.

Pendant la microfiltration, les hémicelluloses sont partiellement retenues par adsorption et interaction avec les matières hydrophobes telles que les fibres et les lignines, mais les pertes restent faibles.

La diafiltration ou la chromatographie d’exclusion-diffusion sont appliquées sur le rétentat de l’ultrafiltration pour séparer les hémicelluloses des oligosaccharides, monosaccharides et sels en éliminant les solutés solubles dans l’eau, ce qui augmente la pureté des hémicelluloses isolées.

Les hémicelluloses obtenues à l’issu de la diafiltration sont pures à 77% avec un rendement de récupération de 87%, la chromatographie d’exclusion-diffusion augmentent leur pureté à 82% avec un rendement de récupération de 99%.

- Purification des hémicelluloses par ultrafiltration et diafiltration (Jönsson et al., 2008) :

Dans cette étude, les hémicelluloses ont été isolées avec un procédé à quatre étapes afin de les utiliser en tant de films barrières à l’oxygène dans l’industrie du conditionnement des aliments. Tout d’abord, la matière végétale est traitée à la vapeur afin de solubiliser les polysaccharides après hydrolyse des liaisons glycosidiques et clivage des liaisons hémicelluloses-lignines. Ensuite, les composants insolubles dans l’eau sont séparés par deux unités de filtre presse à tamis grossier connectées en série. Le filtrat obtenu est concentré par ultrafiltration. Les hémicelluloses contenues dans le rétentat de l’ultrafiltration sont ensuite purifiées par diafiltration. La diafiltration permet d’augmenter la pureté des molécules retenues en diluant le rétentat puis le filtrer afin d’obtenir une séparation sélective. Les membranes utilisées possèdent un seuil de coupure de 10 kDa et sont fabriquées de fluoro- polymère, elles retiennent 45% des arabinoxylanes avec un flux approximativement constant. Afin de réduire les phénomènes de colmatage et d’encrassement induits par les arabinoxylanes et les β-glucanes extraits, d’autres types de membranes peuvent être utilisés tels que des membranes de fluoride de polyvinylidène à surface modifiée.

- Purification des hémicelluloses par microfiltration, diafiltration et ultrafiltration (Person et Jönsson, 2010):

Dans cette étude, la microfiltration, utilisant des membranes en poly-tétrafluoroéthylène, est utilisée comme une étape de prétraitement afin d’éliminer les particules solides. Les étapes de concentration et de purification sont effectuées par ultrafiltration et diafiltration en utilisant des membranes de 10 kDa de fluorure de polyvinylidène à surface modifiée.

La concentration des hémicelluloses retenues est estimée à partir des mesures de quantités des oligo- et polysaccharides et des groupements acétyles. Le contenu en monosaccharides, particules solides et cendres permet l’évaluation de l’efficacité de la purification. En effet, pendant l’ultrafiltration, les minéraux sont partiellement retenus par la membrane avec les hémicelluloses, cela était dû aux interactions ioniques avec ces derniers.