1.7.1 Mise à l’échelle industrielle : étude des paramètres opérationnels
Avant l’implémentation à grande échelle de procédés mise au point au laboratoire, des informations concernant l’optimisation du procédé doivent avoir été étudiées et fournies. Une optimisation adéquate du procédé permettra de limiter les coûts d’installation et les coûts de production de l’extrait. Pour cela, les paramètres de pression, de température et d’addition de colsolvant, les débits de CO2 et ceux de cosolvant doivent optimiser pour
permettre une bonne extraction des composés, tout en limitant la consommation énergétique et afin de réduire les coûts de production. Les courbes de cinétiques vont permettre d’optimiser le rendement en matière en fonction du temps et donc de sélectionner le temps d’extraction idéal en fonction du transfert de masse. En effet, faire trop durer l’extraction va engendrer une augmentation significative des coûts de production sans pour autant augmenter de façon significative le rendement d’extraction. Une récente étude montre qu’un temps d’extraction prolongé après l’épuisement de la biomasse est contre-productif (Martins et al., 2015). L’extraction après la fin de la première période d’extraction (CER) est moins efficace ; les coûts de production associés deviennent trop élevés par rapport au faible rendement d’extraction obtenue à partir de la deuxième période d’extraction (FER). (Melo et al., 2014).
1.7.2 Estimation des coûts de production
Une fois les paramètres d’extraction bien établis, il convient d’estimer des frais relatifs aux coûts de production, mais aussi d’estimer les frais d’installations de l’équipement nécessaires à grande échelle. En effet, différentes capacités de réacteurs sont disponibles et doivent être choisies en fonction des besoins de la production. Cette estimation de la mise à l’échelle peut être effectuée grâce à la simulation du procédé à l’aide de logiciels de simulations tels que SuperProDesigner et AspenPlus. Une fois le procédé simulé, il est possible de connaître le coût relatif à l’investissement total de l’usine (TCI, total capital investment), comprenant le prix de l’installation de l’usine (FCI, fixed capital investment) et les fonds de roulement. Aussi, le résultat de la simulation permet la connaissance de la consommation énergétique totale du procédé ainsi que celle de chaque pièce composant
l’équipement. À partir des indicateurs obtenus, il est ensuite facile de calculer les coûts de production annualisés ainsi que les coûts spécifiques, correspondant au prix de production pour un kilogramme d’extrait produit. Cette méthodologie va permettre de déterminer la viabilité du procédé avant l’investissement potentiel à grande échelle. Dans la littérature, une méthodologie souvent employée pour l’étude économique des procédés supercritiques est celle de Turton, qui a étudié l’influence des coûts de production, mais les coûts fixes de la production et des dépenses générales de l’usine selon les formules ci-dessous (Richard Turton, Richard C. Bailie, Wallace B. Whiting, 2013) :
𝐶𝑂𝑀 = 𝐷𝑀𝐶 + 𝐹𝑀𝐶 + 𝐺𝐸
Avec COM, cost of manufacturing ; DMC, direct manufacturing cost ; FMC, fixed manufacturing cost ; GE, general expenses.
En ce qui concerne les coûts directement influencés par la production (DMC) on peut distinguer :
Ceux liés au prix du matériel de départ utilisé (CRM) comprenant les solvants (CO2 et cosolvant) et la matière de départ végétale,
ceux liés aux salaires du personnel (COL),
ceux liés aux coûts du traitement des déchets (CWT), et qui ne sont pas pris en compte dans le cas du CO2 supercritique, car l’ensemble des solvants utilisés sont
recyclés. On considère qu’il n’y a pas de déchet à traiter.
Ceux liés aux coûts de fonctionnement (CUT) en énergie, de l’installation ainsi que le coût de l’eau froide et de la vapeur utilisée pour les échanges thermiques. Les coûts non liés directement à la production (FMC) sont ceux qui concernent :
Les taxes, Les assurances
La dépréciation de l’usine (coûts issus de la dégradation de l’usine au cours du temps), en général estimée sur 10 à 15 ans donc 10 à 15% du capital d’investissement.
Les dépenses générales (GE) concernent quant à elles les coûts reliés au maintien des affaires, c’est-à-dire à l’administration, au département de recherche et développement et aussi des ventes.
La formule la plus utilisée dans la littérature pour l’estimation des coûts a été adaptée par Meireles et al (Rosa and Meireles, 2005) :
Équation 1.1
𝐶𝑂𝑀 = 0.304𝐹𝐶𝐼 + 2.73𝐶𝑂𝐿 + 1.23(𝐶𝑅𝑀 + 𝐶𝑊𝑇 + 𝐶𝑈𝑇)
Avec COM, cost of manufacturing; FCI, fixed capital investment; COL, cost of labor; CRM, cost of raw material; CWT, cost of waste treatment; CUT, cost of utilities.
1.7.3 Comparaison économique des procédés conventionnels et supercritiques
Une analyse technique et économique du procédé est donc nécessaire pour évaluer ces coûts et pour déterminer la rentabilité d’un procédé supercritique par rapport aux procédés conventionnels. Ces études montrent, dans de nombreux cas, que le CO2 supercritique
peut être plus rentable que les procédés conventionnels, comme c’est le cas pour l’extraction des huiles essentielles, utilisant comme procédé conventionnel la distillation qui est très coûteuse. De fait, de nombreuses études dans la littérature portent sur l’analyse économique de procédés utilisant du CO2 supercritique à l’échelle industrielle. En effet,
des études réalisées sur les feuilles de romarin montrent que le procédé supercritique est plus rentable que le procédé conventionnel avec un coût de production allant de 30.29 à 61 USD par kg d’extrait de 76.50 USD par kg d’extrait respectivement. Une autre étude réalisée sur de la menthe montre que les extraits obtenus par SC-CO2 ont un COM autour
de 300 dollars comparativement à ceux du conventionnel compris entre 600 et 1600 dollars (Mezzomo et al., 2011). Les procédés supercritiques sont également plus avantageux dans le cas d’une production d’extraits d’anis, de fenouil et de clou de girofle (respectivement de 14.34 ; 9.15 et 10 USD/kg d’extraits comparé à 51, 15 et 40 USD/kg d’extraits obtenus en procédé d’extraction conventionnel) (Pereira et al., 2013). D’autres études mettent aussi en évidence le fait que l’utilisation de co-solvant engendre une augmentation des coûts d’investissements et aussi de productions. Il est donc important de déterminer si l’utilisation de cosolvant est indispensable au procédé et si le produit final obtenu aura une valeur suffisamment intéressante sur le marché pour pouvoir amortir ces frais supplémentaires (de Melo et al., 2014; Pereira et al., 2013).