Caractérisation des produits en solution

VI.3.a Mesure du carbone organique total (TOC) des solutions aqueuses

La détermination de la teneur totale en carbone organique (TOC) des phases aqueuses s'inspire de la méthode normalisée NF EN 1484 - 97. La détermination du TOC se fait de manière indirecte : dans un premier temps, la teneur totale en carbone contenu dans

l'échantillon est obtenue par transformation du carbone en CO2 sur un catalyseur en palladium

chauffé à 680°C. Le CO2 est ensuite quantifié par spectroscopie infrarouge (IR). Ensuite, la

teneur en carbone inorganique est déterminée par dosage par IR du CO2 produit sous l'action

de l'acide orthophosphorique concentré. Le carbone organique total est obtenu par différence entre le carbone totale et le carbone inorganique.

VI.3.b Spectrométrie de masse à transformée de Fourier (FT-ICR/MS)

La description de l'appareillage ainsi que les résultats de développement de la méthode analytique se trouvent dans l'Annexe n°II.

Les échantillons sont dilués dans l'eau ou dans le méthanol à une concentration d'environ 0,01 %m/m de matière organique dans la solution. Les solutions sont injectées directement dans la source d'ionisation en mode infusion avec un débit de 5 µL/min. L'acquisition des spectres de masse se fait à l'aide de 64 microscans à la résolution de 100000 pour le pic de m/z 400 Th. La gamme de m/z d'acquisition s'étend de 100 à 1000 Th. Le retraitement des spectres de masse se fait à l'aide d'un logiciel développé par IFP Energies nouvelles.

La calibration du FT-ICR/MS est réalisée à l'aide des ions d'un mélange de composés de masse exacte connues qui sont la caféine (195,08765 g/mol), le MRFA (524,26496 g/mol)

et l'Ultramark 1621^® (922,01035 ; 1022,00397 ; 1121,99758 ; 1221,99119 ; 1269,97235 ;

1321,98481 ; 1421,97842 ; 1521,97203 ; 1621,96564 ; 1721,95926 ; 1821,95287 ; 1921,94648 ; 2021,94013 g/mol)

Les expériences de MSⁿ ont été réalisées dans le piège à ion linéaire (LIT) du

spectromètre FT-ICR/MS. L'ion sélectionné dans le piège à ion, aussi appelé ion parent, est détecté dans la cellule FT-ICR afin de déterminer sa masse exacte. Une énergie relative de 20 en unité arbitraire est ensuite appliquée à l'ion parent dans le piège à ion pour causer sa fragmentation par collision avec les atomes d'hélium présents. Les fragments, aussi appelés ions fils, sont ensuite détectés par le LIT avec une résolution de 1000, 16 microscans sur une gamme de m/z comprise entre 50 et 500 Th.

La détection des composés se faisant via une étape d'ionisation fortement dépendante

de leur nature chimique, les intensités relatives des pics ne traduisent pas forcément les proportions relatives entre les composés dans le mélange initial. Ne pouvant pas déterminer pour tous les composés leur taux d'ionisation, la méthode analytique utilisée ne permet donc pas d'apporter des informations quantitatives sur les composés en solution. La spectromètrie de masse FT-ICR/MS ayant une très haute sensibilité, certains composés à l'état de traces qui s'ionisent avec un fort taux d'ionisation peuvent ainsi être détectés sur le spectre de masse sous la forme de pics d'intensité élevée.

VI.3.c Chromatographie d'exclusion stérique (SEC)

Le principe de la technique est présenté dans l'Annexe n°II. La méthode utilisée met

en œuvre une série de colonnes dont la taille de ports s'étend de 50 à 10⁴ Å et le THF comme

phase mobile. 2 mL d'échantillon sont dilués dans 1 mL de THF puis 50 µL sont injectés par un passeur automatique. Le débit de l'éluant est de 0,75 mL/min et la température d'analyse est de 40°C.

La méthode met en œuvre un détecteur spectroscopique UV à la longueur d'onde de 270 nm. Cette valeur de longueur d'onde assure une absorbance de l'onde électrostatique UV-visible par les composés aromatiques contenant des cycles benzéniques. L'absorbance des

Acides Carboxyliques et Hydroxycarbonyles linéaires à 2-6 C

Carbonyles cycliques à 4-9 C, Furanes et Lactones

Benzènes substitués par des fonctions oxygénées et

principaux inconnus

uniquement une semi-quantification relative en considérant que l'ensemble des analytes contenus dans les échantillons ont une absorbance équivalente.

L'étalonnage entre le temps de rétention SEC et la masse moléculaire des analytes a été réalisé en utilisant la vanilline, le 2,2'-biphénol et la monobenzone ainsi que des standards de polystyrène de masses moléculaires connues. Ainsi les masses obtenues à partir des temps de rétention ne sont pas des masses absolues mais des estimations exprimées en équivalent polystyrène.

VI.3.d Chromatographie en phase gaz (GC)

Le développement de la méthode GC ainsi que les résultats de validation sont présentés dans l'Annexe n°II.

La méthode chromatographique en phase gazeuse développée met en œuvre un chromatographe équipé d'un injecteur diviseur automatique, d'un four contenant une colonne chromatographique et assurant une programmation de température, d'un gaz vecteur et d'un détecteur. La colonne chromatographique est une colonne capillaire de silice fondue greffée avec une phase stationnaire apolaire de méthyl silicone. Les analytes de l'échantillon sont élués de la colonne avec le gaz vecteur en fonction de leur affinité avec la phase stationnaire et de leur température d'ébullition. Au cours de ce travail de thèse, deux types de détecteur ont été utilisés : un spectromètre de masse à temps de vol (TOF/MS) permettant l'identification des analytes et un détecteur à ionisation de flamme permettant la quantification des analytes.

La liste des analytes identifiés dans les produits de conversion hydrothermale des lignocelluloses est donnée en Annexe n°VII. La Figure C-42 présente à titre d'exemple le chromatogramme GC-FID d'un échantillon de conversion du glucose et les zones d'élutions des différentes familles chimiques déterminées par GC-MS.

25.0 50.0 75.0 100.0 125.0 min 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0^uV(x1,000)

Figure C-42 : Chromatogramme GC-FID d'un échantillon de conversion hydrothermale de glucose obtenu (batch, 370°C, 25 MPa, 10 minutes).

Le détecteur à ionisation de flamme permet la quantification des analytes organiques en les ionisant dans une flamme obtenue par combustion de dihydrogène et d'air. Les ions de combustion sont collectés par deux électrodes entre lesquelles une différence de potentiel est appliquée, ce qui est à l'origine d'un courant électrique caractéristique de la nature chimique de l'analyte et de sa quantité. Le choix de ce détecteur pour la méthode quantitative a été motivé par sa linéarité et sa grande sensibilité.

Du fait de ces caractéristiques de fonctionnement, le détecteur FID n'est pas adapté pour l'analyse d'échantillons contenant une forte proportion d'eau. Or, la plupart des échantillons de conversion hydrothermale analysés par cette méthode GC sont des solutions aqueuses contenant plus de 98% m/m d'eau. Pour éviter l'extinction de la flamme du détecteur au moment de l'élution de l'eau des échantillons, un composé organique miscible à l'eau et qui a un temps de rétention proche de celui de l'eau peut être ajouté aux échantillons aqueux. Pour cette méthode GC, le composé ajouté aux échantillons aqueux est le méthanol. Le rapport volumique entre le méthanol et l'échantillon a été déterminé pour obtenir le meilleur compromis entre d'une part une quantité suffisante de méthanol assurant le maintient de la flamme et d'autre part une dilution des échantillons la plus faible possible par le méthanol. La préparation avant l'analyse nécessite un volume de méthanol pour deux volumes d'échantillon aqueux de conversion. L'effet de dilution du méthanol doit donc être pris en compte lors de la quantification des analytes. Du fait des fortes proportions d'eau et de méthanol dans l'échantillon analysé, seule la quantification des composés éluant après l'eau et le méthanol est possible.

La quantification des analytes nécessite une méthode d'étalonnage. La grande quantité de pics chromatographiques rend l'ajout d'étalon interne délicat. C'est pourquoi une méthode d'étalonnage externe a été choisie pour cette méthode GC. Le nombre important d'analytes ne

permet cependant pas de tous les quantifier individuellement. La quantification est réalisée via

une méthode de normalisation interne à l'aide de coefficients de réponse moyens par famille chimique sauf pour les acides carboxyliques dont les coefficients de réponse spécifiques ont été déterminés. Les analytes ont été quantifiés lorsque leurs aires sont supérieures à 0,004 % de l'aire totale des pics du chromatogramme. Ainsi, au vu de la complexité des chromatogrammes, la quantification a nécessité des approximations qui ont un impact sur les valeurs obtenues. Cependant, les études réalisées avec un mélange comportant différents composés représentant l'ensemble des familles chimiques identifiées dans les échantillons de conversion ont montré que les performances de cette méthode GC peuvent être considérées comme satisfaisantes en termes de linéarité, sensibilité et reproductibilité dans le temps dans le domaine de concentrations compris entre 190 et 350 ppm m/m qui correspond au domaine de concentrations des principaux analytes des échantillons (Annexe n°II).

Le nombre de chromatogrammes à traiter au cours de la thèse ayant été important (près de 50 chromatogrammes), un programme de traitement automatisé a été utilisé. Le

logiciel Carburane^® de IFP Energies nouvelles permet la reconnaissance automatique d'après

les temps de rétention des différents pics chromatographiques des analytes préalablement identifiés. Ainsi, la quantification des analytes connus qui sont contenus dans un échantillon se fait automatiquement. Ce logiciel a été initialement développé pour le traitement des chromatogrammes obtenus lors de l'analyse d'hydrocarbures. Il a donc été adapté au cours de ce travail de thèse au traitement des chromatogrammes des échantillons de conversion

VI.3.e Caractérisation des oses par chromatographie liquide à haute performance

La caractérisation et la quantification du glucose et du xylose ont été spécifiquement réalisées par une méthode de chromatographie liquide à haute performance (HPLC). La méthode chromatographique met en œuvre une étape de prétraitement des échantillons par SPE de phase inverse. Un détecteur par réfractométrie est utilisé. La quantification se fait à l'aide d'un étalonnage externe à partir de solutions contenant l'ensemble des sucres d'intérêt. L'intérêt de cette méthode dans l'approche analytique multi-techniques réside dans le fait qu'elle permet la quantification des oses qui ne sont pas quantifiables par la méthode GC mise au point dans ce travail.